黄岛区供水管网优化改扩建的研究 86页

'国内图书分类号：TU990.3学校代码：10213国际图书分类号：628密级：公开硕士学位论文（工程硕士）黄岛区供水管网优化改扩建研究硕士研究生：邢颖导师：吕炳南教授副导师冯玲艳高工申请学位：工程硕士学科：建筑与土木工程所在单位：黑龙江建筑职业技术学院答辩日期：2012年7月授予学位单位：哈尔滨工业大学 ClassifiedIndex:TU990.3U.D.C:628DissertationfortheMasterDegreeinEngineeringOPTIMALRENOVATIONANDEXPANSIONRESEARCHOFWATERSUPPLYNETWORKINHUANGDAOCandidate：XingYingSupervisor：ProfessorLvBingnanViceSupervisor：SeniorEngineerFengLingyanAcademicDegreeAppliedfor：MasterofEngineeringSpecialty：ArchitectureandCivilEngineeringAffiliation：HeiLongJiangCollegeofConstructionDateofDefence：July,2012Degree-Conferring-Institution:HarbinInstituteofTechnology 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文摘要传统供水管网改扩建方法主要是通过人工经验进行多方案技术经济比较，它无法实现各参数的充分优化；构建同步优化水源供水量、加压泵站水泵组合、管网布局、管网管径等的数学模型，往往导致问题复杂、求解结果不可靠。为了避免上述两种方法的不足，也为易于实施黄岛区供水管网规划项目、实现供水管网改扩建优化，开展供水管网优化改扩建研究。研究总体思路以实现黄岛区改扩建后供水管网运行费用最低为目标，首先创建拟合供水全程平均水力坡度的方法计算扩建管网管径未定时入口需求压力值，实现了基于水力模型模拟的供水管网改建、扩建分步实施，避免了改建、扩建同步优化求解时的计算时间长、求解结果不正确的问题；以平均日平均时供水能耗最低为目标函数，以供水管网建造费用经济等9个指标为约束条件，构建了供水管网优化改建模型，并应用Matlab及EPANET软件通过遗传算法求解，实现了各供水厂供水量及改建管道管径同步优化；以经济流速为约束，研究了基于平均日平均时工况下扩建管道管径优化方法；通过黄岛区历年用水量数据，采用分类加和法、人均综合指标法、年递增率法、线性回归法、单位面积法、灰色理论法和非线性混沌理论法7种方法进行规划年限需水量预测研究；将供水管网改扩建优化方法应用于黄岛区供水管网改扩建中，所得方案合理、满足各项校核要求，证明该方法可行。关键词:供水管网；管网规划；改扩建；优化；遗传算法-I- 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文AbstractTraditionalwatersupplynetworkrenovationandexpansion’smethodmainlyhadtechnicalandeconomiccomparisonofthemulti-programunderthehumanexperience,whichcannotoptimizedthevariousparametersfully.Themathematicalmodelwhichattemptedtosimultaneouslyoptimizemultiplevariablessuchasexportflowofeachwaterplant,pumps’combinationofeachpumpstation,thelayoutofwatersupplynetwork,thediameterofeachpipelineandsoon,wascomplexandobtainedunreliableanswersinmanycases.Inordertoavoidthedeficienciesoftheabovetwomethods,andatthesametime,toimplementtheprojectoftheHuangdaowatersupplynetworkplanningexpedientlythattooptimizedwatersupplynetworkrenovationandexpansion,thewatersupplynetworkrenovationandexpansionoptimizationwascarriedout.Thepurposeoftheresearch’sgeneralideaistominimizetherunningcostswhenthethefuturewatersupplynetworkwasrunaftertherenovationandexpansion.Anewmethodcalledfittingtheaveragehydraulicgradientoftheentirewatersupplypathwascreated,anditwasappliedtocalculatetheimport’spressuredemandvalueofthepipenetwork’sexpansionwhenitsdiameterhadnotbeendetermined.Bywhichtherenovationandexpansioncanbedividedintotwopartsandbeimplementedseparately,whichavoidedthelongcomputationtime,incorrectresultswhentheywereoptimizedsimultaneously.Thewatersupplynetworkrenovationoptimizationmodelwasestablishedwhenthenetworkwasrunwiththeaverage-dailyaverage-hourflow,ittookthelowestwatersupplyenergyconsumptionastheobjectivefunctionand9indicatorsincludingeconomicconstructionofwatersupplynetworkasitsconstraints.AndthemodelwasworkedoutbyGeneticAlgorithmwiththehelpofMatlabandEPANETsoftware,moreimportantisthattheflowofeachwaterplantandthepipeline’sdiameteroferenovationwereoptimizedsimultaneouslyinthecalculationprocess.Tomentionexpansion,themethodofoptimizingthepipeline’sdiameterwasstudied,ittooktheeconomicvelocityasitsconstraintwiththeworkingconditionsoftheaverage-dailyaverage-hourflow.BystudyingthewaterconsumptionofHuangdaoovertheyears,7kindsofwaterdemandforecastingmethods,theywereclassificationsummationmethod,percapitaindexmethod,annualgrowthratemethod,linearregressionmethod,theunitareamethod,graytheorymethodandnonlinearchaostheorymethod,wereusedtoforecastwaterdemandintheplanningperiod.-II- 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文AllthemethodsofwatersupplynetworkrenovationandexpansionoptimizationwereappliedinthewatersupplynetworkrenovationandexpansioninHuangdao,theprogramsobtainedwererationalandallofthemcanmeetthecheckrequirements,whichprovedthatthemethodswerefeasible.Keywords:watersupplynetwork,pipenetworkplanning,renovationandexpansion,optimization,GeneticAlgorithms-III- 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文目录摘要.................................................................................................................IAbstract...............................................................................................................II第1章绪论........................................................................................................11.1课题背景....................................................................................................11.2供水管网改扩建优化研究进展.................................................................11.2.1城市需水量预测研究进展...................................................................11.2.2供水管网改扩建优化方法研究进展...................................................31.2.3国内外研究进展总结分析...................................................................41.3课题来源及研究目的与意义.....................................................................51.3.1课题来源.............................................................................................51.3.2课题研究目的与意义..........................................................................51.4课题研究的主要内容.................................................................................5第2章黄岛区供水管网改扩建概述与现状分析...............................................72.1黄岛区供水管网改扩建规划概况..............................................................72.1.1规划年限及范围..................................................................................72.1.2规划目标.............................................................................................72.1.3规划内容.............................................................................................82.2供水管网改扩建背景分析.........................................................................82.2.1黄岛区概况及发展目标.......................................................................82.2.2黄岛区城市规划简介..........................................................................92.3自然条件与社会经济分析.......................................................................122.3.1自然条件...........................................................................................122.3.2社会经济...........................................................................................122.4黄岛区城市供水现状分析.......................................................................132.4.1供水量分析........................................................................................132.4.2水源分析...........................................................................................132.4.3供水工程设施分析............................................................................142.4.4供水管网分析....................................................................................152.4.5供水管网现状问题分析.....................................................................152.5本章小结..................................................................................................16-IV- 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文第3章黄岛区供水管网改扩建优化方法研究................................................173.1供水管网改扩建优化总体思路...............................................................173.2未定扩建管网接口处需求压力研究........................................................193.2.1树状管网接口处需求压力研究.........................................................193.2.2单进口环状管网接口处需求压力研究..............................................223.2.3多进口环状管网接口处需求压力研究..............................................233.3黄岛区供水管网改建优化方法研究........................................................243.3.1建立供水管网优化改建模型.............................................................243.3.2供水管网优化改建模型求解方法研究..............................................283.3.3供水管网优化改建方案生成方法.....................................................293.4供水管网扩建优化方法研究....................................................................303.4.1扩建管网布局优化方法.....................................................................303.4.2扩建管网管径优化方法.....................................................................303.4.3供水管网改扩建方案校核.................................................................303.5本章小结..................................................................................................31第4章黄岛区需水量预测研究.......................................................................324.1黄岛区用水量调研分析...........................................................................324.2需水量预测方法选择...............................................................................334.3黄岛区需水量预测..................................................................................344.3.1分类加和法........................................................................................344.3.2人均综合指标法................................................................................354.3.3年递增律法........................................................................................364.3.4线性回归法........................................................................................374.3.5单位面积法........................................................................................394.3.6灰色理论法........................................................................................404.3.7非线性混沌理论法............................................................................434.4黄岛区需水量的确定...............................................................................484.5本章小结..................................................................................................49第5章黄岛区供水管网优化改扩建工程方案................................................515.1供水管网工况分析平台的建立...............................................................515.1.1供水管网工况分析平台建立流程.....................................................515.1.2基础资料调查整理分析.....................................................................525.1.3建立供水管网图文数据库.................................................................57-V- 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文5.2黄岛区供水管网现状工况分析...............................................................595.2.1供水管网现状工况模拟.....................................................................595.2.2供水管网现状问题分析.....................................................................625.3黄岛区供水管网优化改扩建方案............................................................635.3.1黄岛区2015年供水管网优化改扩建方案........................................635.3.2黄岛区2020年供水管网优化改扩建方案........................................655.4本章小结..................................................................................................66结论...................................................................................................................67参考文献............................................................................................................68附录黄岛区规划改扩建供水管网水力模拟图.............................................72攻读学位期间参与的课题研究.........................................................................78个人简历............................................................................................................79哈尔滨工业大学硕士学位论文原创性声明......................................................80哈尔滨工业大学硕士学位论文使用授权书......................................................80致谢...............................................................................................................81-VI- 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文第1章绪论1.1课题背景供水管网改扩建规划是城市供水系统规划的重要组成部分，拟改扩建供水管网是满足城市人口增长、经济发展，扩大供水量与供水范围的重要基础设施；供水管网占据供水系统总投资的50%-80%，是供水系统中重要组成部分，是确保用户用水满足水量、水压和水质要求的重要纽带，所以供水管网的重要地位和作用应该在改扩建规划得到充分重视。就我国而言，随着供水管网规模的不断扩大，一些问题也突出出来：管线改造、铺设缺乏统一规划，管线连接、构筑物设置等缺乏合理性，致使供水低压区扩大、供水漏损严重、供水安全可靠性低等问题，同时还致使供水能耗偏高，浪费电耗增加了供水成本。我国供水管网运行能耗高，主要是由于管网设计不合理，随意性地增铺管道、不合理地管网改造，使得某些供水区域供水水压不足的同时还存在某些区域水压过高问题，在实际运行中为满足所有用户对最小服务水头的要求，供水泵站只得增大供水出厂压力或者提高中途泵站扬程，极大地提高了供水能耗，同时考虑管道承压能力和降低漏损，某些高压区域需要采取减压措施，有可能还会带来其相连管网压力不足，造成了能耗浪费。因此，在供水管网改扩建中，有必要针对管网低能耗运行与管网经济建设开展供水管网改扩建优化研究。1.2供水管网改扩建优化研究进展1.2.1城市需水量预测研究进展1.2.1.1国外研究进展英国学者进行近期用水量预测时建立了模式识别模型，分别预测生活用水和工业用水，在实践中取得较好的效果；澳大利亚的Zhou等以日用水趋势、[1]季节性、气候和自相关等影响因素基础建立了某市的日用水量预测模型；May等将年降雨量、水价、人口、居民人均收入等作为相关因子，建立了与相关因子间的对数和半对数的回归模型用于中远期用水量，该模型在美国某州-1- 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文[2]中远期用水量预测中，获得了满意的效果；Brekke等人用逐步回归法进行用[3]水量预测，证明其所需时间比用重回归分析法建立模型少；Jain等对多种模型分别进行了评价，预测了近期用水量，并用最高日需水量、最高温度日需水[4]量及全天下雨时的日需水量进行了测试、检验；Dayan等人分析了对最高日需水量产生影响的非气候因素，并对最高日需水量进行了预测；Babel等人应用人工神经网络法对曼谷的城市需水量进行了预测，并证明气象对于中远期预[5]测影响效果显著；Shimakawa等人还利用模糊推理建立了用水量模糊预测模[6]型，Kubo等人针对居民用水量变化预测上的困难，提出了一种社会背景估[7]计法，并用长期历史数据进行校核。1.2.1.2国内研究进展国内一些专家、学者在对我国城市用水量增长变化规律进行详尽分析的基础上，对中远期用水量预测方法进行了研究。刘国玉将SEGM法应用到城市用[8]水量预测中，证明其预测精度高于指数平滑法，适用于在线预测；陈志国等[9]用Engel系数和Hoffmann指标对北京和济南进行了需水量预测研究；陈晓刚[10]用GA-SVM算法进行了城市需水量预测计算；许仕荣基于BP神经网络，建立了一种综合时间序列分析和多元分析特点的动态水量预测模型，应用中其精[11]度达到工程要求；楼玉等采用自适应MGM(1,n)模型全面考虑多个相互影响[12]或关联的变量，对杭州市做了需水量预测研究；薛文志等以原始序列与模拟序列差值平方和最小为条件,利用最小二乘法确定了GM(1,1)白化权函数的时间响应函数中的常数，构建了改进的GM(1,1)模型，并应用于宁波市用水量[13]预测中；柳烨等为了提高城市用水量的预测精度，基于灰色GM(2,1)模型采[14]用灰色模型结合微粒群算法进行城市用水量预测；赵晓梅等人基于等维新[15]息灰色马尔可夫模型对大连市用水量进行了预测；王圃等应用加权组合模[16]型对城市用水量进行了预测；梁学玉等基于灰色预测理论，建立了残差灰色预测模型与等维递补预测模型两者相结合的组合灰色预测模型，预测水量具[17]有预测精度高、简捷实用等特点，Yu为了提高预测的精确度，采用基于OLS方法的线性趋势，通过聚集效应的共组方式进行预测研究，讨论了聚集效应方[18]式需水量波动程度以及共同组件数量的影响。[19]此外城市需水量预测还有时间序列预测法、回归分析预测法、系统动[20][21]力学预测法、灰色预测法和人工神经网络预测法及组合模型等的一系列研究成果。-2- 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文1.2.2供水管网改扩建优化方法研究进展1.2.2.1国外研究进展在管网优化布置方面，国内外学者主要根据实践经验和工程地形条件以及规范要求等，提出管网布置的一些基本原则，用以确定管线走向和干支管布置[22]形式的依据。Clememt提出用单位矢量法改进管网布置形式；Morgan和Goulter提出两阶段法，该方法由两个相连的线性规划构成，一个线性规划模[23]型求解布置，另一个确定最小费用的元件大小设计；Lansey和Mays改进了两阶段方法进行，在设计中考虑了泵、蓄水池、阀门以及管径的大小及管线的[24]位置；Kleiner等人在水力模型上利用启发式方法进行了管网规划管网布局[25]及管径优化研究；SanjayKumar等人以印度卡纳塔克邦某大学校园为例，[26]将供水管网划分为4部分进行优化布局研究。在管径优化方面，一些管径优化设计模型和算法逐步在工程中得到应用。[27]Aplerovits和Shamir建立了管径优化线性规划模型，变量为流量分配及管径，在优化模型求解上主要通过两步迭代法，但对于大型管网来说，两步迭代法收敛速度较慢。Morgan和Goulter利用在求解迭代时利用线性规划法和水力计算之间相互转换，寻求水力条件最优时的管段直径等参数；Hopfield在组合[28]优化问题中成功地应用人工神经网络；Metropolis在规划中研究了模拟退火[29]算法；Krikpatrick为实现优化问题，类比统计动力学中的热平衡，建立了[30]新的优化模型，并在组化问题中成功地应用；Maier等人在供水管网改扩建[31]的管径优化中采用蚁群算法，并取得了较大的成功。经过一系列研究，现阶段管径优化其方法分为确定性优化方法和随机优化方法两大类，其中传统的[32][33,34][35]确定性优化方法主要有枚举法、线性规划法、非线性规划法和动态[36][37][38]规划法；随机优化方法主要是模拟退火算法、神经网络算法、遗传算法等。1.2.2.2国内研究进展董文楚提出基于矢量计算，以管网建设造价费用最低建立目标函数，优化[39]树状管网布置方法；林性粹等人将管网布局优化和管径优化同时考虑，提[40]出一种同时优化管网规划方法；魏永耀等人利用图论中最小生成树法进行[41]管网布局优化设计；王强对北京通州规划期内若干方案进行安全可靠性比[42]较，推荐了最佳规划方案。哈尔滨工业大学的张鑫针对沈阳市改扩建规划[43]优化设计问题建立了非线性规划模型；湖南大学的刘小静为了克服一直以来的管径圆整和改造布局优化的两大难题，采用模拟退火的玻尔兹曼机法进行-3- 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文[44]求解，直接得到了市售管径和较优的改造布局；天津大学的王昊确定了以供水管网各管段管径为自由变量，目标函数为管网改造工程费用最低，约束条件为管网水量、水压以及管道材料规格，分别使用模拟退火算法和蚁群算法思[45]想对管网改造优化问题进行算法设计和求解；合肥工业大学的刘晓莹在改扩建优化中分别采用模拟退火法、有记忆的模拟退火法、回火退火法和快速回火退火法进行优化设计比较，从而得出满足水量、水压和经济性要求的最优解[46]及最优算法；哈尔滨工业大学的王光辉在马鞍山管网改扩建中采用[47]DCPM-FGA算法对管网的校核模型进行求解；Yang等利用改进的双编码遗[48][49]传算法对环状网进行了优化布局研究。此外，供水管网工况分析平台、[50][51]基于微观水力模型的优化调度及供水管网地理信息系统（GIS）等方面也有大量的研究成果。1.2.3国内外研究进展总结分析根据上述研究进展，针对供水管网改扩建优化研究需要，可以对研究现状分析如下：国内外针对城市需水量预测研究成果显著，预测方法现已多达近400种，结合传统方法与应用效果较好的数学模型方法，能为供水管网规划计算出精确度较高的预测水量，从而合理确定供水厂、供水管网等设施规模。在进行改扩建中为实现优化，可以通过水源优化，加压泵站优化，改建管径优化，扩建管网布局及管径优化。在供水管网改扩建的实施中，现阶段已经认识到利用管网微观水力模型实现优化的重要性，然而即使建立了水力模型，在明确用水规模后，各水源供水量组合方式、加压泵站供水水压大小、扩建管网的布局形式、管径搭配方式这四个问题中的任何一个求解都依赖于其他三个问题的解决，然而事实是四个问题相互关联、密不可分，这导致以往的改扩建极大地借助经验，依靠几个方案的技术经济比较确立方案，这种方式在理论上达不到最优化，极大地依赖于实施人员的经验，无法实现充分的优化。针对经验实施方式的不足，完全可以将上述四个问题统一构建优化数学模型，然而必然导致问题复杂，众多的变量关系式以及大量的约束使得问题求解困难，况且在改扩建规划上也没有必要实现精确的计算，事实上也不可能，因为其中存在用水规模误差、用水规律变化等大量不确定因素。因而有必要在上述两者之间寻找易于实施、求解结果可靠的改扩建优化方法。-4- 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文1.3课题来源及研究目的与意义1.3.1课题来源本课题属于横向课题青岛市黄岛区城市供水专项规划的子课题，属于供水管网优化改扩建规划部分。1.3.2课题研究目的与意义研究供水管网改扩建优化问题，首先是处于青岛市黄岛区供水专项规划中的管网规划要求，为保障该项目高质量完成，优化实现供水管网规划，解决供水管网现状中存在的问题，为黄岛区近期、远期管网建设提供科学依据，特别是为实现优化的供水系统建设运行，研究以黄岛区供水管网规划为例研究改扩建问题具有强大的现实意义，同时在项目中发现问题解决问题具有一定的科研意义。研究黄岛区供水管网改扩建优化，拟实现预期供水调度方案与管网布局及管径优化，提出科学的改扩建方案，能有效降低供水系统运行成本，特别是减3低供水泵站能耗，提高供水经济效益。以供水量20万m/d计算，假定泵站效率为70%，则每降低1m供水水头每年可节约电耗29万Kwh。从供水管网运行成本低及建造费用经济出发，实现黄岛区供水管网改扩建的管网布局及管径优化，还将改变原来供水缺乏统一规划的局面，有利于提高供水安全性和可靠性、改善终端用水水质，有利于降低管道爆管事故、降低管网漏损，在预期内有利于实现输配水任务和达到供水产销差指标。1.4课题研究的主要内容课题围绕黄岛区供水管网规划，结合图1-1，拟研究以下内容：（1）黄岛区供水管网改扩建规划工程概况研究分析针对实际工程项目，研究拟首先分析黄岛区供水管网概况，了解规划年限及范围、规划目标及具体规划内容；分析本次管网改扩建背景，调研黄岛区城市规划概况；分析黄岛区与供水相关的自然条件、社会经济状况等；总结分析黄岛区现有供水设施状况及存在的表观问题。以上为实施优化改扩建提供详实的基础资料。（2）黄岛区供水管网改扩建优化方法研究研究拟实现供水管网运行费用经济基础上的优化改扩建，借助于水力模型-5- 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文实施。由于改建扩建方案均未知，扩建管网处于未定状态的情况下首先进行改建管径优化，为了实现水力模型的平差计算，拟研究扩建管网未定时接口压力需求计算方法；为实现供水管网运行费用最小化，同时实现管网建设经济，拟构建供水管网优化改建模型，采用合理的约束条件，并寻找优化问题算法借助于EPANET水力软件及Matlab程序求解该模型，实现各水厂供水量、管径大小在平均日平均时工况下的同步优化；研究拟采用经济流速的方式实现扩建管网管径的优化。（3）黄岛区需水量预测研究研究拟分析黄岛区历年用水量数据，采用传统方法：分类加和法、人均综合指标法、年递增率法、线性回归法、单位面积法五种方法和灰色理论法、非线性混沌理论法两种数学模型分别对近期、远期需水量进行预测，确定未来合理的供水规模。（4）黄岛区供水管网优化改扩建方案的提出在黄岛区供水管网改扩建中，拟将上述研究思想与具体实现方法贯彻应用，提出基于运行费用低、管网建造费用低的供水管网改扩建方案；实践中还将涉及水力模型建立及黄岛区供水管网模拟分析等内容。工程项目概况研究分析收集查阅文献资料研究方向及总体研究思路的提出确定主要研究内容改扩建优化方法研究需水量预测研究扩建管网未定下管网平差研究，管网优化布局与各水厂优化调度下的管径优化管径优化研究实现平均时管网运行费用实现扩建管网经济确定合理的供水规模低、既有区域管网优化改建建设与运行费用低以管网经济建设为约束条件、以供水系统运行费用低为目标，提出黄岛区供水管网优化改扩建方案图1-1课题研究技术路线图-6- 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文第2章黄岛区供水管网改扩建概述与现状分析随着工业的发展和城区的开发建设，水资源的短缺日益严重，虽然黄岛区每年的固定资产投资计划中都有部分供水工程，但由于缺少与修编的分区规划相应的供水专项规划的指导，水资源短缺的问题没有得到根本的解决。为给黄岛区给水系统建设项目的筹资和优先性决策提供理论依据；并作为黄岛区给水设施建设和管理的依据性文件，统筹优化，合理利用水资源，提高供水水质，降低运行成本，推动城市供水管网改造，降低供水管网漏损率，促进城市节约用水，保障供水安全，提出了黄岛区城市供水规划需求。黄岛区供水管网改扩建规划是黄岛区城市供水规划的一部分。2.1黄岛区供水管网改扩建规划概况2.1.1规划年限及范围本次规划以2011年为基准年，总体规划期为2011-2020年，按照科学性、可操作性的规划编制原则，将规划期分为近、远期两个阶段，达到分期规划、分步实施、重点明确、便于操作的目的，其中近期为规划的重点阶段。具体如下：第一阶段（近期）：2011~2015年；第二阶段（远期）：2015~2020年。本次规划的地域范围为整个黄岛区，总面积274.1平方公里。本次黄岛区城市供水规划的工程范围为从水源取水、渠道输水、水库蓄水、调水到管道供水的整套供水体系；管网规划配合城市供水规划总体要求实施。2.1.2规划目标黄岛区供水管网规划要配合城市供水规划的目标实施，城市供水规划的总体目标如下：（1）总量保证：满足城市发展的用水量需求要求。（2）区域保证：实现区域供水，城乡供水一体化。（3）效益保证：实现分质、分压供水，实施中水回用，提高水务效益。（4）发展保证：力求近远期结合，满足远景发展、调节的余量。（5）安全保证：建立灵活有效、切实安全的城市供水系统，保障城市安-7- 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文全。提出近期和远期规划方案，使管网运行经济可靠，水压分布合理。2.1.3规划内容本次黄岛区城市供水规划的具体内容有以下几点：（1）调查和了解与黄岛区供水相关的基础资料和现状规划资料，包括在用和可用水源分布以及规划、环保、水利、建设、市政、供水等部门编制的相关规划。（2）预测黄岛区在规划年限内用水量需求。（3）对水源（包括备用水源）进行规划研究和控制。（4）通过管网平差、经济流速计算等方式，对管网布置进行规划研究和控制。（5）对供水压力分区、大型市政加压泵站进行规划研究和控制。（6）结合行业科技进步的要求，对制水工艺、二次供水工艺和管网材料等工程技术的使用进行规划研究和控制。（7）编制近期和远期建设计划，进行投资估算。（8）编制节约用水和中水利用规划。（9）提出供水水质安全管理体系建设的措施和建议。（10）合理分析预测城区近远期规划需水量，提出近远期供水设施规划方案，为城市供水设施建设及安全优化运行提供规划依据。所以供水管网规划要结合上述内容实施，主要完成或部分完成上述（1）、（2）、（3）、（4）、（5）、（7）、（10）的规划内容。2.2供水管网改扩建背景分析2.2.1黄岛区概况及发展目标黄岛区是青岛市主城区7部分之一（地理位置见图2-1），面积274平方公里，辖6个街道办事处，共204个城市和农村社区，总人口近50万。经过二十多年开发建设，黄岛区已成长为投资环境良好、开放型经济健康协调发展、社会各项事业日益繁荣的现代化新城区。2008年黄岛区综合实力在国家级开发区中列第五位。大炼油、丽东化工、上汽通用五菱、海西湾造修船基地、中海油海洋石油工程基地、前湾港招商局国际码头等“六大产业集群”龙头项目相继开工，“六大产业集群”主体框架基本形成。黄岛区内既设有国家级经济技术开发区，还设有青岛西海岸出口加工区、-8- 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文国家级保税区及保税物流园区国家级新技术产业开发试验区、国家（青岛）家用电子产品产业园及凤凰岛省级旅游度假区、小珠山国家森林公园，是享受中国对外开放政策最集中、功能最完善的区域。图2-1黄岛区地理位置图《青岛市黄岛区、青岛经济技术开发区分区规划》（2003-2020）将黄岛区功能定位为：中国北方的港口航运中心、物流贸易集散中心和旅游度假地、青岛市重要的新型产业制造基地、青岛市西海岸地区的中心城区。产业发展战略以港口为核心，以制造业为先导，现代服务业与旅游业综合协调发展的产业群。产业重点发展石油化工、家电电子、汽车制造、建材为主，导向上侧重现在服务业，在大力发展港口与制造业的同时，加强国际贸易、物流、商贸金融、旅游业等第三产业的发展。2.2.2黄岛区城市规划简介2.2.2.1黄岛区规划总体定位按照《青岛市城市总体规划》（2006-2020）（征求意见稿），其提出了青岛市空间发展战略是“依托主城、拥湾发展、组团布局、轴向辐射”，黄岛区同崂山区一同被定位为仅次于青岛的两个副重心。在城市供水上，城市供水水源以挖潜当地水源（进一步开发大沽河流域水源地、开发建设沐官岛水库等）、加速实施海水淡化工程、跨流域调水（引江、-9- 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文引黄）为主要措施，确保用水安全。2.2.2.2黄岛区规划布局结构黄岛区建设空间将沿“一心，三湾，两带”展开，结合地形特征形成以“三湾”为中心，向外呈发散状展开的不规则带形城市空间布局结构。未来五年，开发区将推动前湾新港城、国际生态智慧城、凤凰岛国际旅游岛、北部产业新城、石化产业循环经济新城“五大板块”，见图2-2。由于各模块在用水上会有明显差异，分析各模块规划用途，相应的用水量及用水规律可以获得，分析归结如下：（1）凤凰岛国际旅游岛面积约56平方公里。东部区域重点发展郊野运动、山体运动、探险体验、娱乐休闲产业等；中部重点发展影视文化、商业服务、创意产业等；西部区域为高品质、私密性的高端休闲度假区和国际会议承办集聚区。图2-2黄岛区“十二五”城区规划布局结构图（2）国际生态智慧城面积119平方公里，该区域重点发展家电电子产业、新兴产业和高新技术服务业。（3）石化产业循环经济新城面积18平方公里，逐步实现向自然界索取的资源最小化、向社会提供效用最大化、向生态环境排放废弃物趋零化，使经济效益、社会效益、生态环境达到协调统一，建立循环经济。（4）北部产业新城-10- 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文面积约41平方公里，着力打造现代新型物流业态交易集散区、大宗生产资料交易中心、汽车交易市场等三个交易中心，龙泉河、河洛埠和可乐石三大生活居住区，航空、高端装备、汽车零部件、家电电子信息配套、船舶机械配套及战略性新兴产业等六个特色园区。（5）前湾新港城面积约44平方公里，建设港航物流、航运金融、大宗商品交易、汽车和海洋装备制造等行业领域的产业项目。2.2.2.3黄岛区规划城市建设用地根据《青岛市黄岛区、青岛经济技术开发区分区规划》（2003-2020）,2020年规划城市建设用地为164.83平方公里，其中居住用地31.31平方公里，工业用地面积52.9095平方公里，详见下表2-1。表2-1黄岛区规划城市建设用地统计表序号用地类别面积（ha）一类147.891居住用地二类2983.33行政办公用地107.53商业金融用地583.32文化娱乐用地28.75体育用地42.082公共服务设施用地医疗卫生用地38.69教育科研用地555.35文物古迹用地其它公共设施用地25.5一类843.533工业用地二类1811.4三类2636.024仓储用地676.115对外交通用地281.926道路广场用地2423.187市政共用设施用地245.318绿地3007.989特殊用地44.8810区内建设总用地16482.77-11- 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文2.3自然条件与社会经济分析2.3.1自然条件在地理位置上，黄岛区位于青岛西部、胶州湾西岸，东与青岛市市南区隔海相望，南濒黄海，沿海岸线向西与胶南市接壤，北部与胶南市、胶州市接壤，总面积274.1平方公里。在地质地貌上，黄岛区位于鲁中大断裂以东，属于鲁东地盾区。境内山岭起伏，沟壑纵横，整个地形呈西高东低之势。在气候上，黄岛区地处北温带季风区域内，暖温带半湿润大陆性气候，空气湿润，雨量充沛，温度适中，四季分明，有明显的海洋气候特点，年平均气温12.5℃。在河流水系方面，属东南沿海水系，均为季节性河流，有南辛安河、辛安前河等12条河流，径流量的季节变化较为明显，雨季水位暴涨、流量激增、枯季流量骤减，甚至干枯断流。黄岛区土壤多为棕壤土和潮土；黄岛区矿产资源贫乏，矿种较少。2.3.2社会经济黄岛区作为青岛市的辅城，形成了以轻工、化纤、纺织、机械、储存加工、电子、房地产和其他第三产业为主导的工业体系。近年来，国民经济保持了快速、健康发展的良好态势。在1999年至2007年期间，经济总量GDP由1999年的84.1亿元，增长到2007年的590.1亿元，年均增长率达到27.58%。黄岛区产业经济结构改变明显，2007年一、二、三产业增加值占GDP的比重分别为0.56%，69.53%，29.90%，形成了“二、三、一”格局。从黄岛区历年三种产业的比例来看，黄岛区的第二产业一直占有较高的比例，且持续增长的势头迅猛；第一产业呈下降的趋势，表明黄岛区已进入工业化的中期阶段。黄岛区内既设有国家级经济技术开发区，还设有国家级青岛西海岸出口加工区、国家级保税区及保税物流园区、国家级新技术产业开发试验区、国家（青岛）家用电子产品产业园及凤凰岛省级旅游度假区等。建区20多年来，基础设施投资累计300多亿元，培育了家电电子、石油化工、汽车船舶、新型材料、高新技术、港口物流等为支撑的主导产业。-12- 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文2.4黄岛区城市供水现状分析2.4.1供水量分析黄岛区现用水源地为胶南的吉利河水库、小珠山水库、黄岛区的殷家河水库、城阳的棘洪滩水库。其相应的净水厂有4座，分别是高家台水厂、小珠山水厂、殷家河水厂、管家楼水厂。3在95％保证率情况下，水源地产水能力为18.7万m/d，加上输水管道周3边开发的小水源，水源能力可达20万m/d；全区总的供水设施能力也为203万m/d。现有的水源产水能力与供水生产能力相匹配，但无更多富余量。各水源产水能力及水厂供水能力详见下表2-2。表2-2黄岛区现有水厂产水、净水能力表水厂供水区域水源水源95％保证率产水能力水厂净水能力南线供水区域高家台水厂吉利河水库5.55.5小珠山水厂小珠山水库34北线供水区域殷家河水厂殷家河水库0.20.5管家楼水厂棘洪滩水库106＋4（二期）合计18.720注：南线供水区域为齐长城路以南；以北为北线供水区域。2.4.2水源分析现状年黄岛区供水水源包括当地的地表水、地下水、海水以及客水水源等，其中客水是黄岛区的主要供水来源。黄岛区内现用地表水源地有殷家河水库，客水水源地有小珠山水库、吉利河水库、棘洪滩水库和王台水源地（黄岛电厂自备水源）。吉利河水库、小珠山水库已无增大供水能力的可能。殷家河水库于辛安街道办事处殷家河村北，流域面积6.0平方公里，建成33于1973年8月，总库容410.3万m，兴利库容262.0万m，通过殷家河水厂3给城区供水，年供水约100万m。小珠山水库位于柳花泊街道办事处西北角，流域面积34平方公里，建成3于1960年6月，常年水面面积达1.4平方公里，总库容3111万m，兴利库3容2120万m，水源主要来自小珠山天然溪流，如独垛子河、大夼前河、柳东河等，河流较短但汇水面积较大，长年有水。小珠山水库为黄岛区重要的生活饮用水水源地之一，通过小珠山水厂给城区供水，主要供应北部城区、临港工-13- 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文3业区和石化工业区的生产、生活用水，每日供水约3万m。、3吉利河水库位于胶南市张戈庄乡新小庄和洼里村之间，总库容7400万m，33兴利库容3248万m，死库容112万m，95%保证率的现状供水能力为5.5万3m/d。棘洪滩水库位于胶州市、即墨市和城阳区交界处，是引黄济青工程的调蓄333水库，总库容15680万m，兴利库容为11018万m，死库容为3550万m，395%保证率的现状供水能力为30万m/d。为保证黄岛开发区大炼油等一批大3项目的供水需求，棘洪滩水库至黄岛日供水能力10万m的供水工程已于2005年竣工供水海水淡化方面：根据《青岛市城市水资源配置工程网规划》和《青岛市海3水淡化产业发展规划》的成果，2020年黄岛区海水淡化能力达到10万m/d；32030年海水淡化能力达到12万m/d。3中水回用方面：规划2015年中水处理能力达到12.5万m/d（其中至少保证连续、稳定、达标出水1~5万m³/d）；规划2020年中水处理能力达到26万3m/d（至少保证连续、稳定、达标出水11~15万m³/d）。2.4.3供水工程设施分析3黄岛区现总供水设施能力为20万m/d。区内配水管网设有多座高位调节3水池及中途加压泵站，高位水池总调节能力3.12万m，多为早期与配水管网配套建设，具体见表2-3、表2-4。表2-3黄岛区中途加压泵站统计表3序号名称地点单泵水量（m/h)扬程（m）备注1山里泵站南北屯100422用1备嘉陵江路与银海路交2南港安置区150502用1备叉口昆仑山路与松花江路3荒里泵站90522用1备交叉口4南营泵站南营37.5422用1备5山科大泵站前湾港路64602用1备红石崖三十五6红石崖三十五号路64391用1备号路泵站龟田食品加压7黄河西路南侧90651用1备泵站8柳花泊泵站柳花泊供水所院内18401用1备-14- 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文表2-4黄岛区高位水池统计表序号高位水池个数容积（m³）1花林水池140002黑山水池21000+10003烟固墩山高位水池210000+100004柳花泊高位水池2800+4005黄山水池22000+2000合计9312002.4.4供水管网分析黄岛区现有供水管线（DN80以上）长507公里，管径以DN300为主。具体详见表2-5。供水管网以齐长城路为界，由南北两线供水系统组成，分别为原开发区和原黄岛区根据各自地形、规划及用水情况建成的。管网漏失率15.24%。表2-5黄岛区供水管网管径分布表管径管长百分比管径管长百分比管径管长百分比（mm）（km）（%）（mm）（km）（%）（mm）（km）（%）800.20.04%25010.20%60033.66.62%10035.87.05%300124.924.60%7004.50.89%15021.44.21%40069.113.61%80027.45.40%20011522.65%50058.611.54%100016.33.21%2.4.5供水管网现状问题分析现阶段黄岛区供水主要问题分析如下：水资源匮乏，制约供水系统发展建设：黄岛区发展速度快，用水量呈快速上升趋势。目前全区日均用水量为18.7万吨，其中95%以上来自于客水。同时，随着区内人口急剧增长，大炼油、中海油等大项目的陆续投产，黄岛区用水量将大大增加。本地水资源开发已到极限，现有水源地以无扩容能力，若需增大黄岛区供水量，需增大客水水资源33建设。水厂设计供水能力为20万m/d，高日最大供水量已达19万m/d，供、求基本持平，水厂已经满负荷运转，导致安全性低、可靠度差；若其中任一水厂事故停产，则不能满足全区需水量。因此处理突发事件能力差，供水安全性低。同时供水管网局部用户反映供水压力不足，个别区域还存在由于压力偏高导致的爆管频发问题，说明供水能耗没有得到充分利用，能耗浪费严重。针对黄岛区供水管网自身的特殊性，开展优化改扩建要具有针对性，分析-15- 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文如下：（1）准确预测规划年限需水量非常重要。从黄岛区城市规划可以看出，规划年限内城市建设用地面积将会有很大提高，届时会增加很多居民用水、公共建筑用水特别是工业用水，同时伴随人口的增长，黄岛区用水量增长率将会比较大，同时现状用水基数比较大，增长率预测上的一点误差将会带来绝对用水量的较大误差，黄岛区需水量准确预测较其他工程显得尤为重要；合理确定城市各区域需水量及对于确定水厂供水规模，确定扩建区域用水规模及用水分布十分必要。（2）针对黄岛区开展供水管网改扩建优化研究，可实现的经济效益潜力巨大。黄岛区现状供水厂为4个，规划年限内规划供水水厂达到5个，是一个典型的多水源供水城市，具备多水源的供水系统，都面临优化调度的问题，黄岛区供水管网改扩建可以为实现预期优化调度而开展预期运行与管网同步优化的研究；黄岛区供水管网存在一些特殊性，比如管网中有多处中途加压泵站，有多个高位水池，同时城市地面标高差异大，使得这些供水设施具备优化潜力大的同时，还给优化求解带来了复杂性，因此为实现改扩建优化实现较大的经济效益，工程实施中还面临一些难题。2.5本章小结（1）说明了黄岛区供水管网规划是黄岛区供水规划中的一部分，说明了其规划年限、规划范围、规划目标和规划内容；阐明了供水管网规划背景，分析了黄岛区的自然条件及经济因素，为管网改扩建提供了详实的参考资料；（2）对黄岛区现状供水状况进行了全面分析，其材料和分析结论为本次规划提供了数据支持依据，通过对现状问题的总结分析，为黄岛区供水管网优化改扩建提供了方向。-16- 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文第3章黄岛区供水管网改扩建优化方法研究如果近期、远期需水量已知，管网规划面临的任务即是提出供水管网优化改扩建方案。为实现管网改扩建优化（即传统意义上的管网建造费用和运行管理费用之和最小），区别于传统多方案经济技术比较的方式，本研究要寻找易于实施、求解结果更加可靠的改扩建方法，又由于该方法基于规划而不是设计施工，研究侧重于降低管网管理运行费用，而适当以管网建造费用作为约束。3.1供水管网改扩建优化总体思路在第1章中已述及，在进行改扩建中为实现优化，可以通过水源优化，加压泵站优化，改建管径优化，扩建管网布局及管径优化。在供水管网改扩建的实施中，现阶段已经认识到利用管网微观水力模型实现优化的重要性，然而即使建立了水力模型，在明确用水规模后，各水源供水量组合方式、加压泵站供水水压大小、扩建管网的布局形式、管径搭配方式这四个问题中的任何一个求解几乎都依赖于其他三个问题的解决，然而事实是四个问题相互关联、密不可分，这导致以往的改扩建极大地借助经验，依靠几个方案的技术经济比较确立方案，这种方式在理论上达不到最优化，极大地依赖于实施人员的经验，无法实现充分的优化。针对经验实施方式的不足，研究以将上述四个问题统一构建优化数学模型，然而必然导致问题复杂，众多的变量关系式以及大量的约束使得问题求解困难，况且在改扩建规划上也没有必要实现精确的计算，事实上也不可能，因为其中存在用水规模误差、用水规律变化等大量不确定性因素。因而有必要在上述两者之间寻找易于实施、求解结果可靠的改扩建优化方法。由此确立供水管网优化改扩建总体思路：研究拟寻找一种方法，实现管网改建、扩建分离，实现管网改建、扩建优化分步实施；以管网平均日平均时状态建立优化模型，以管网平均日平均时状态运行费用综合最小为目标函数，以管网建造费用经济为约束条件，建立优化改建数学模型，寻求模型求解算法，求解各水源供水流量、压力的优化组合，目的是实现后期管网管理运行费用最低，同时在实施过程中实现新水量条件下改建优化；以经济流速为约束条件，实现扩建管网优化；综合以上，实现供水管网改扩建优化。-17- 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文对于总体思路的几点解释：（1）改建、扩建分离与分步实施在本研究中，在原有供水范围内的管道管径、管材改变称之为改建，在原有供水范围外的新管道敷设称为扩建。在管网改扩建优化中面临管网改建、扩建两项优化的问题，无论是改建管道还是扩建管道都是处于一个管网拓扑结构中，要借助于管网微观水力模型解决问题的前提是管网拓扑结构和流量分配已知，即使预期需水量明确也即基本明确了流量分配，可是在管网拓扑结构中改建管道和扩建管道互为未知。上述两个未知量是管网规划中最终需要的结果，可以综合到一个优化数学模型中同时求解，但是改建方案与扩建方案都存在多种可行方案，求解最优解搜索域大，求解费时，因此研究拟寻找一种改建、扩建分离方法。在新方法下的管网改建、扩建分步实施，能使工程问题易于实施。（2）基于平均日平均时流量的改建优化在管网的技术经济计算中，一般综合考虑管网建造费用和管理运行费用，而管理运行费用包括动力费用和折旧大修费用，本研究拟针对动力费用构建管网改建优化模型，原因如下：①随着经济增长与物价上升，管网运行费用增大，在总费用中所占比重上升，并且在现状管网中改建管网占据总管网比重较小，实现总费用最小的有效方式是节省动力费用，符合“十二五”规划纲要将绿色低碳发展作为我国经济社会发展的重大战略任务精神；②在实现动力费用最省的同时，并不是不考虑管网建设费用，而是以管网经济建设为约束条件，由于管网折旧大修费用与管网建设费用直接相关，进而也考虑了管网折旧大修费用；③一个城市的供水管网要按照最大日最大时供水要求建设，但是供水管网大部分时间处于平均日平均时工况或者相近工况运行，因此管网运行费用以平均日平均时工况考虑，以其他工况作为校核考虑。（3）基于平均日平均时流量的扩建优化实现分离的管网扩建优化是基于平均日平均时工况，原因同上述；扩建优化目的仍然是使预期供水管网运行费用最省，约束条件是管网建设费用经济，以管网经济流速的方式实现。针对上述总体思路，研究需要重点解决以下几个问题：（1）如何实现改建管网与扩建管网在拓扑上的分离；（2）优化数学模型的建立及求解，在求解中同步实现改建管网管径优化；-18- 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文（3）扩建管网实现管径优化。3.2未定扩建管网接口处需求压力研究在扩建的布局基本确定而管径未定的条件下，假定拟扩建管网的接口位置是已知的，以下逐步分析不同情况下接口处所需压力。3.2.1树状管网接口处需求压力研究对于管网水力计算，本研究采用海曾-威廉（A.Hazen,G.S.Williams）公式[52]如式（3-1）。10.667l1.852hQ（3-1）1.8524.87CD式中C——海曾-威廉系数；h——水头损失，m；Q——管道内流量，L/s；D——管道内径，mm。扩建管网属于新管道，C统一取值130。由于拟扩建管网为实现管网优化是通过经济流速约束实现的，一般管径D=100~400mm时，平均经济流速选取0.6~0.9m/s，D≥400mm时，平均经济流速选取0.9~1.4m/s，本研究选取较小值，目的是更大限度地降低供水能耗。各流量对应的管径选取如下表3-1。表3-1各流量对应管径选取及水头损失情况表表3-1（续表）倒置序号j流量Q（L/s）管径D（mm）1000i（m）全程平均1000i（m）22100010001.31.0462195010001.181.0342090010001.071.0271985010000.961.0241880010000.861.028177509001.271.038167009001.121.023156509000.981.017146009000.841.019135509000.721.033125008001.071.059114508000.881.058104008000.71.07693507001.051.118-19- 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文表3-1（续表）倒置序号j流量Q（L/s）管径D（mm）1000i（m）全程平均1000i（m）83007000.791.12672506001.21.17462006000.791.17051505001.131.24641255000.811.27531004001.581.4302754000.931.3551503001.781.780对应流量下选取的管径在既定流量下的水力坡度（1000i）计算结果见表3-1。假定沿树状管网干管方向沿线流量是均匀的，则输送总流量为Q时，在干管总长度上流量梯度按照表3-1分配，对于流量Q，在输送干管上全程平均水力坡度按照下式（3-2）计算，计算结果见表3-1。jQ1hhj（3-2）jQj1式中h——全程平均水力坡度（1000i），m；j——树状网进口总流量对应的序号j；Qh——序号j对应流量与管径下的水力坡度，m。j各流量对应的全程平均水力坡度关系如图3-1。.图3-1进口流量与全程平均水力坡度关系图将进口流量与全程平均水力坡度关系进行曲线拟合，利用Origin软件中较适合的拟合公式，所得拟合关系如式（3-3）。-20- 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文0.1395h289.391288.405(11.017)（3-3）0.1395Q式中Q——进口流量，L/s。2式（3-3）的拟合优度R为0.952，精确度较高，可以进行工程应用。经过第3章的研究，某一扩建区域的需水量是可知的，假定该区域用水均匀分配，则可按照上述（3-3）式计算入口所需压力。则接口处需求压力按式（3-4）计算。P()HHLhP（3-4）inadiniaser式中P——入口需求压力，m；inH——最不利点高程，m；adH——入口点高程，m；inL——入口至最不利点管线长度，m；iaP——管网服务水头，m。ser例如下图3-2，假定拟扩建管网入口为节点1，管网最不利点为节点9，管网服务压力为20m，节点9与节点1高程差为5m，管线1-4-5-8-9长度为3.8km，整个拟扩建区域需水量为260L/s。789456拟扩建管道原有管道123图3-2树状管网示意图则，入口需求压力为：0.1395Pin=5+3.8（289.391288.405(11.017)）+20=29.28（m）。0.1395260上述计算是假定沿线流量平均分配为前提，当沿线流量不是平均分配时，可以作如下处理：以具有大流量出流点为界分割干管，前一段重新求出平均水力坡度，后一段仍按照上述方法求解沿程水头损失。仍以图3-2为例，假定管线1-4长度为1.4km，管线4-5-8-9管线长度为2.4km，总流量为650L/s，节点-21- 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文4有集中大流量200L/s，其他情况同原假设。由表3-1可得管线1-4平均水力坡度为（0.98+0.84+0.72+1.07）/4=0.903，管线4-5-8-9的平均水力坡度按照式（3-3）求解得1.077，则入口需求压力为：P=5+1.40.903+2.41.077+20=28.85m。可见计算结果同原结果差别不大。所in以，如果集中流量不是特别大仍可按照沿线流量均匀分配处理。3.2.2单进口环状管网接口处需求压力研究对于环状管网，即使节点流量分配情况已知，但是在管径没有确定的情况下水流方向是不能得知的，也即管段输水流量未知，使得任一条输水管线沿程水头损失无法计算。因为环状管网中有些管段是联络管、正常情况下输水流量很小，仅是为增加安全可靠性而敷设，所以删减该类管道对原水力状态影响不大；即使有时一些连接管道具有可观的输水流量，删减该类管道虽然对局部水力状态造成较大影响，但是对于主体管网影响不会太大，因为实际环状管网每个环对称效果较好、整体管网输水流量比较对称；从现实分析，删减环内部分管道仍能使剩余管道完成既定输配水任务是偏安全的。如图3-3，可以删减云线内部管道。789456拟扩建管道原有管道123图3-3单进口环状管网示意图删减一些管道后，自进口至管网最不利点（或某一点）可以形成几条中途不连接的输配水管线，每条管线水头损失计算可依据树状管网计算公式（3-3）。以图3-3为例分析进口压力需求，假定拟扩建管网入口为节点1，管网最不利点为节点9。该管网删减云线内管道后，形成两条中途不连接的输配水管线A（1-4-7-8-9）和B（1-2-3-6-9），两条管线水流共同流向节点9（供水分界点），假设管线A入口流量为Q，管线B入口流量为Q，则有下式（3-5）成立。AB-22- 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文QQQABin0.1395h289.391288.405(1)A1.0170.1395QA（3-5）0.1395h289.391288.405(1)B1.0170.1395QB由于环状网闭合差为0，可知LhLh，又Q、LL、是已知的：AiaABiaBinAiaBiaQinLLAiaBia时，可求得QQAB，代入式（3-3）得h，代入式（3-4）可2得P；inLBiaLL时，可得hh，将其带入式（3-5）即可解得QQ、，h、AiaBiaABABALAiah，进而求得P。Bin当几条输配水管线供水分界点不能确定时，可以假定分界点大概位置，使得环状管网分离成几条独立的树状管网，分别计算每条树状管入口压力需求值，以最大值作为该环状管网入口压力需求值。这种处理方式是偏安全的，因为打断的环状管网如果能满足供水要求，那么连接打断点后必然仍能满足供水要求。如图3-4，是图3-3管网确定供水分界点的示意图。78109456拟扩建管道原有管道123图3-4打断环状管网确定供水分界点示意图在节点10打断，形成两条树状管1-4-7-8-10和1-2-3-6-9-10，分别确定两条管各自拟实现的供水区域（即确定入口流量），计算这两条管入口所需压力值，取较大者作为最终压力需求值。3.2.3多进口环状管网接口处需求压力研究对于多进口环状管网，即使节点流量分配情况已知，但是在管径没有确定-23- 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文及各进口压力未知的情况下，整个网水力状态是未知的。如果将多进口的环状管网分割成多个单进口的树状管网或者环状管网，那么多进口环状管网进口需要的压力就转化为4.2.1和4.2.2的问题。研究采用分割多进口的环状管网为多个单进口的树状管网或者环状管网，使连接管道处于关闭状态（即看做其上阀门关闭），分割成的每个单进口管网其流量分配按照该部分管网负责的区域进行，也可论证得出某些阀门处于关闭状态时能满足供水要求，那么打开阀门后仍能满足供水要求。如图3-5，是一个三进口的环状管网。拟扩建管道原有管道123图3-5多进口环状管网示意图由图3-5，可按照其进口数量划分为三个仅有一个进口的树状管网或者环状管网，分别确定每个进口的需求压力值。3.3黄岛区供水管网改建优化方法研究3.3.1建立供水管网优化改建模型在本研究总体思路指导下，为实现管网改建优化（即传统意义上的管网建造费用和运行管理费用之和最小），区别于传统多方案经济技术比较的方式，本研究以供水管网运行费用最小为目标函数，以管网建造费用和大修折旧费用最小（或较小）为约束条件，具体原因前面已论证。故建立如下供水管网优化改建模型如式（3-6）。mEiMinFQQ(1,2,…，Qm）Qfi(iHi)（3-6）i1i-24- 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文式中F——供水成本；Q——第i个水厂平均日平均时供水流量；im——水厂个数；f——第i个水厂制水成本；iH——第i个水厂在供水流量为Q时的泵站扬程；iiE——第i个水厂电价；i——第i个水厂泵站效率。i由于黄岛区现有9处中途加压泵站，结合工程实际问题，当管网中存在中途加压泵站时，式（3-6）转化为式（3-7）。mEnEijMinFQQ(,12,…，QQQm，1，2，…，Qn）Qfi(iHi)QHjj（3-7）ij11ij式中Q——第j个中途加压泵站平均日平均时加压流量；jn——中途加压泵站个数；H——第j个中途加压泵站在加压流量为Q时的泵站扬程；jjE——第j个中途加压泵站电价；j——第j个中途加压泵站效率。j当各水厂制水成本相同、各水厂用电电价相同、各水厂泵站效率相同时，式（3-6）的求解问题转化为下式（3-8），式（3-7）的求解问题转化为下式（3-9）。mMinFQQ(,12,…，Qm）QHii（3-8）i1mnMinFQQ(1,2,…，QQQm，1，2，…，Qn）QHiiQHjj（3-9）ij11式（3-7）即是求解各水厂供水流量，使得各水厂供水能耗之和最小。由于在规划中，大部分情况下各水厂制水成本、用电电价和泵站效率无法明确其具体差异，而供水泵站扬程却是可以借助水力模型求解的，所以大部分管网改扩建的优化问题可以转化为运行费用的优化问题。供水管网改扩建借助于水力模型计算实现优化，其管网平差计算同现状运行仿真模拟存在很大差别：供水管网改扩建往往通过设定管网最不利点供水水压进行全管网水压计算，从而得出各水厂供水水压；而现状运行仿真模拟基本设定了各水厂供水流量及压力，从而计算管网其他节点水压。在改扩建中，如-25- 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文果存在n个中途加压泵站，则设置多个（至多n+1个）最不利点水压。研究设定管网中最不利点最小服务水头P，假设各水厂平均日平均时供ser水流量为Q，通过管网平差计算，在改建区域内实现各管道满足经济流速约i束（当不满足时，按照经济流速要求扩大管径），最后即可确定各供水厂供水压力。所以上述问题需要受到很多条件约束，具体分析如下：（1）总供水流量约束mQQi；i1即各水厂平均日平均时供水流量值之和为预期平均日平均时需水量。该项约束将通过下章需水量预测研究确定规划年限内总供水量约束。（2）各水厂泵站供水流量约束Q≤Q≤Q；iminiimax即各水厂平均日平均时供水流量值在其供水能力范围之内。该项约束依据水源规划、水厂设计供水规模而定。（3）各水厂泵站供水压力约束H≤H≤Himiniimax即各水厂平均日平均时供水流量为Q时，供水压力在泵组可调范围之内。i该项约束依据各供水泵站规划泵组情况而定。（4）各中途加压泵站供水流量约束Q≤Q≤Q；jminjjmax即各中途加压泵站供水流量值在其供水能力范围之内。该项约束依据各中途加压泵站规划泵组情况而定。具体约束满足下图3-6。（5）各中途加压泵站供水压力约束H≤H≤H；jminjjmax即各中途加压泵站供水流量为Q时，供水压力在泵组可调范围之内。j当管网中不存在中途加压泵站时，约束（4）、（5）取消。该项约束依据各中途加压泵站规划泵组情况而定。（6）供水服务水头约束PP≥，k为管网中节点数；kser即所有节点供水压力在最小服务水头之上。-26- 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文图3-6黄岛区各中途加压泵站单泵流量及扬程（7）高位水池水位及进出流量约束L≤L≤L；iminiimax即平均日平均时供水时，各高位水池水位L满足最低、最高水位要求。itMinFQi，Qi为高位水池进出流量之差，t为高位水池个数；i1即高位水池在平均日平均时供水时通过调整其基态水位控制其进出流量为最小，最好控制为0。当管网中不存在高位水池时，约束（7）取消。黄岛区现有5处、共计9个高位水池，具体约束满足表2-4。（8）扩建接口压力约束假定未定扩建管网接口处共有w个，通过第3章研究，能够获知所有未定扩建管网接口处（节点i）节点流量，通过4.2节研究，能够获知所有未定need扩建管网接口处（节点i）需求压力P。i在平均日平均时供水时，水力平差计算时扩建管网接口处节点流量按照第real3章研究分配，并且接口处计算所得压力P要满足：ineedrealP≤P，1≤iw≤；ii（9）管段经济流速约束管段经济流速约束是实现管网改建建设费用为省的方式。在现有管网上分配预期平均日平均时流量时，给定一个各水厂供水量流量调度方案时，经过平差计算，如果管段流速超过了经济流速（按照表3-1选取），则标记该管段，-27- 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文并且该管段管径放大一个型号，按照水流方向逐次调整，直到供水管网优化改建模型得到满意解时所有管道均实现经济流速约束。3.3.2供水管网优化改建模型求解方法研究供水管网优化改建模型的目标在于寻求供水厂之间供水流量的优化组合，并在求解中实现管网改建，使得改建后管网运行耗能最低。问题中的变量为各水厂供水流量，为连续变量，管网平差时也需要得到改建管网管径优化，问题求解的终极目标是获得现有管网管道管径的改换信息，能使得管网改建得到方[53]案。对于该类非线性优化，研究选择遗传算法求解。遗传算法的基本思想是基于Darwin的进化论和Mendel的遗传学说，是从生物遗传与自然选择的进化中受到启发而演变出来的非微分启发式随机广域[54]搜索优化算法。遗传算法针对本问题具有以下三个优点：（1）遗传算法不是直接对问题的参数进行优化，而对最优化问题参数的某种编码进行优化，能解决优化问题中连续变量及其约束求解问题。（2）遗传算法具有良好的全局搜索性，减少陷入局部最优解的可能性，搜索速度高、效果好。（3）遗传算法对所求解的问题不做本质了解，可简化求解问题的难度及前期的数据处理。供水管网优化改建模型遗传算法求解细节研究：（1）种群编码研究采用二进制编码，由于基于规划的各水厂流量分配无需十分精确，对各水厂流量编码时精度选为20L/s。（2）种群初始化遗传算法的种群初始化涉及群体规模的设置和初始化机制选取两个问题。为了防止过早陷入局部最优解，同时有不增加算法的复杂度影响运算速度，研究设置群体规模为200。种群初始化机制可以依据各水厂供水规模20%到90%等间距选择。（3）适应度函数供水管网优化改建模型是使各水厂、泵站供水能耗最低，适应度函数可以应用其相反数，如下式（3-10）-28- 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文1SmEnE（3-10）ijQfi()iHiQHjjij11ij（4）选择、交叉与变异按照适应度函数（3-10）适应度越高的个体被选择几率越高；交叉概率选为0.8，变异概率选为0.1。（5）终止条件遗传算法一般通过比较平均适应度的变化或者最大遗传代数来进行终止判断，本研究选择最大遗传代数，而当达到最大遗传代数时，退出计算并选择最后代计算结果，设置最大遗传代数为供水厂数量的50倍。本研究借助于matlab软件，选择其中的遗传算法工具箱，并多次调用EPANET动态链接库，依据水力平差结果修改EPANET软件m文件中的管径，直到管径满足经济流速约束，在每一代中循环上述过程。程序编写及使用情况见图3-7所示。图3-7Matlab应用遗传算法求解界面图3.3.3供水管网优化改建方案生成方法在管网平差计算中，现有管网部分管道管径被放大，直到求解结束时汇总这些管道信息，被放大管径的管道通过换管、平行铺设新管道等的方式得到改建方案。-29- 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文这样，在供水管网优化改建模型求解过程中实现了运行费用最小的管网改建方案。关于管道管径被放大进行水力计算的说明：（1）需要建立管道管径放大时的管径选择集，选择时按照选择集内部元素由小到大顺序选择；（2）如果管径被改大，平差计算时海增威廉系数统一修改为125计算。3.4供水管网扩建优化方法研究3.4.1扩建管网布局优化方法扩建管网布局的优化方法主要是按照规范进行，针对优化扩建思路，主要有以下几点：重视近期建设规划，且应适应城市远景发展。在市区，配水管网布置成环状；密切结合城市规划布局、规划期给水规模并结合近期建设确定；其走向应沿现有或规划道路布置，并宜避开城市交通主干道；管线在城市道路中的埋设位置应符合现行国家标准《城市工程管线综合规划规范》的规定。输水管和配水干管应选择经济合理线路；中途加压泵站位置宜在用水集中地区设置；规划长距离输水管线时，输水管不宜少于两根，当其中一根发生事故时，另一根管线的事故给水量不应小于正常给水量的70%。3.4.2扩建管网管径优化方法将管网改建方案及扩建管网布局落实到现状水力模型中，合理确定预期平均日平均时工况水量在整个管网中的分布，初始化所有扩建管网管径为一较小值，通过管网平差计算，以管段经济流速为约束条件，逐步改换管径，直到所有管段在平均日平均时工况流速均满足经济流速要求，具体方法类同3.3中改建管径优化。3.4.3供水管网改扩建方案校核在上述研究中，通过供水管网改扩建方案的实施，能实现预期平均日平均时供水的动力费用最小，能获知该工况下各水厂供水流量及供水压力、中途加压泵站加压流量及提升扬程的最佳组合。供水管网及泵站等组成的供水系统设计是以满足最大日最大时供水为依据的，因此需要在该工况下设计除管网外的其他部分，这主要是求解最大日最-30- 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文大时各泵站需要的输送压力，进而选择水泵及其组合。这主要是以满足总供水流量约束、供水服务水头约束为基础的一个比较合理最大日最大时各水厂流量调度下的供水压力求解，其可借助水力模型轻松解决。选择水泵组合后，一般需要对事故时、消防时和最大转输时工况进行压力校核（当存在高位水池时）。3.5本章小结（1）确定了平均日平均时工况下寻求供水能耗最低、新建管道满足经济流速约束的供水管网优化改扩建思路；（2）研究了未定管网接口处压力需求的计算方法，为预期水量下的水力模型计算提供了必要条件；（3）建立了供水管网优化改建模型并实现了遗传算法求解，以获得优化改建方案；（4）确立了扩建管网优化方法；并提出在改扩建方案基础上进行最大时校核以满足设计要求。-31- 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文第4章黄岛区需水量预测研究规划期内需水量大小直接决定了供水规模，从而极大地决定了供水管网布局及其管径大小。预测水量过大，会造成供水系统建设成本增大，供水系统的能力未得到充分发挥而造成浪费；预测水量过小，将导致建成的供水系统满足不了实际需要，特别是“小马拉大车”的局面将带来运行成本的极大提高，不利于控制供水能耗，同时还存在运行期间系统故障频发的风险。所以，准确的进行需水量预测是供水规划的前提，也是本课题实现供水管网优化改扩建的首要研究内容。4.1黄岛区用水量调研分析在项目实施过程中，工作组调研了黄岛区前11年的用水数据，按照当地用水量分析方法，全年用水量V分解为三部分：工业用水量V、生活用水全年工业d量V、公共服务用水量V，还列出了最高日供水量Q，具体数值见表4-1。生活公共max表4-1黄岛区近11年用水量组成表dV全年V工业V生活V公共V全年增长率Qmax年份4343434343（10m）（10m）（10m）（10m）（％）（10m/d）200016411044503946.0220011955122063798197.01200223111366735210188.362003278416189412252010.0620043295207210082151811.5620053653221812921431111.7020064094249514361631214.272007430427011423180514.7020085095329815732241816.8020095068.86-0.520105537.549-32- 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文由表4-1的数据，为分析用水量变化规律，得到图4-1。图4-1黄岛区历年用水量变化趋势图由表4-1及图4-1可以分析得出，自2000年到2010年，黄岛区城市全年用水量呈逐步增长趋势，只有2009年呈负增长、且下降幅度很小（只有0.5%）；用水量增长率比较大，大多靠近20%；全年用水量增长率有逐步减小趋势，但是减小规律不明显；最新数据显示，全年用水量仍有9%的增长趋势。由图4-1可知，黄岛区用水量的构成中，工业用水量占据最大比重，并且所占比重有增大趋势；生活用水量占据比重次之，并且也有增大趋势，但是增长率不很明显；黄岛区的公共服务用水量在总用水量中占据很小比重，并且没有明显的增大或者减小趋势。基于上述的黄岛区用水量大小及趋势分析，能为需水量预测提供指导意见，同时也有利于掌握黄岛区用水构成性质、用水量变化规律等，为后期黄岛区供水管网模型建立提供数据支持。4.2需水量预测方法选择常用需水量预测方法有两大类：一是解释性预测方法，以影响被预测量的各因素为分析参数，建立回归分析模型；二是完全依赖于被预测量的历史观测数据及数据模式，利用时间序列分析方法寻找被预测量的顺序变化规律。城市需水量包括城市生活用水量、公建用水量、工业用水量、市政用水及消防用水等，与所处地区、城市性质、发展规模、经济生活水平等有关。实际应用中，需水量预测一般以过去的资料为依据，以今后用水趋向、经济条件、-33- 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文人口变化、资源情况、政策导向等为条件。需水量预测要考虑国民经济发展过程中产业、产品结构的调整和节水需水量的影响等因素。各种预测方法是对各种影响用水的条件作出合理的假定，通过一定的方法，求出预测水量。城市需水量预测涉及到未来发展的诸多因素，一般采用多种方法相互校核。用水量预测的时限一般与规划年限相一致。结合上述对黄岛区历年用水量分析，研究采用7种方法进行预测：传统的5种方法：分类加和法、人均综合指标法、年递增率法、线性回归法、单位面积法，并重点研究灰色理论法、非线性混沌理论法，目的是通过多种方法的预测结果综合比较得到合理的规划期用水量。4.3黄岛区需水量预测4.3.1分类加和法4.3.1.1确定规划期人口数量黄岛区城市总体规划提到2010年黄岛区市区人口规模为65万人，预测到2020年市区人口规模为146万人，并未明确2015年城市人口规模。本规划由10于资料有限，按照下述2020年人口数2010年人口数(1人口增长率)推测2015年人口数量。经计算，得人口增长率为3.56%，预测到2015年市区人口达到77万人。故确定规划期2015年人口数量为77万人，2020年人口数量为146万人。4.3.1.2分类加和法预测需水量以下分别对黄岛区各类用水量进行预测，包括综合生活用水、工业和企业生产用水、市政用水、消防用水、未预见及管网漏失水量5类，其中消防用水量仅用于校核管网计算，不属正常用水量。（1）综合生活用水量依据《城市给水工程规划规范》（GB50282—98）表2.2.4，2015年黄岛区所属地区人均综合生活用水定额q为210~380L/（人·d），根据黄岛区实际情况，取300L/（人·d）；2020年黄岛区所属地区人均综合生活用水定额q为230-400L/（人·d），根据黄岛区实际情况，取350L/（人·d）。供水普及率k按100%考虑，2015年城区人口N为77万人，2020年城区人口N为146万人，依据公式（4-1）3计算可得，2015年最高日综合生活用水量为23.1万m/d，2020年最高日综合3生活用水量为51.1万m/d。-34- 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文QNqk（4-1）（2）工业和企业生产用水量由于资料不全，因此工业用水按2000年到2008年工业供水增长率计算，33工业用水量从2000年的1044万m到2008年的3298万m，共增加2254万3m，平均年增长率为15.47％，按照该增长率计算，得到2015年及2020年工33业用水量分别为24.73万m/d、50.78万m/d。根据《青岛市水资源综合规划》，规划2010年黄岛区工业用水重复利用率达到80％，2020年达到83％，推算2015年的工业用水重复利用率为81.5％。2008年工业用水重复利用率按76%3考虑，预测2015年及2020年黄岛区实际工业用水量分别为19.06万m/d、35.973万m/d。（3）市政用水量和未预见及管网漏失水量市政用水量包括绿地喷灌、道路喷灌、建筑消防水量，市政用水量和未预见及管网漏失水量根据经验，该水量占城市用水量的20％。由上述数据可推33算得出，2015年及2020年该部分水量预计分别为10.54万m/d、21.77万m/d（4）消防用水量根据《建筑设计防火规范》GBJ16-87（2001年版）第8.2.1条，消防水量按同一时间内的火灾次数为3次，每次灭火用水量100L/S考虑。经过上述各项需水量预测，各项相加得总的预测需水量值见表4-2。表4-22015年及2020年城市需水量预测值3最高日用水量（万m/d）用水类型2015年2020年综合生活用水量23.151.1工业和企业生产用水量19.0635.97市政用水量和未预见及管网漏失10.5421.77总用水量52.7108.84水量4.3.2人均综合指标法根据《城市给水工程规划规范》（GB50282-98）表2.2.4-1所列的城市单位人口综合用水量指标，黄岛区属二区，2015年规划总人口为77万人，属大3城市，人均综合用水量指标取0.5m/（万人·d），2020年规划总人口为1473万人，属特大城市，人均综合用水量指标取0.6m/（万人·d）。因此，预测2015年及2020年最高日用水量为：3近期2015年预测需水量为：77×0.5=38.5m/d；-35- 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文3远期2020年预测需水量为：147×0.6=88.2m/d。4.3.3年递增律法4.3.3.1年递增率法预测水量原理伴随城市发展进程加快，随着经济的不断发展和人民生活需求的不断丰富，供水量一般呈逐年递增趋势，特别是我国正处于经济高速发展时期，该趋势尤其显著。用水量与年份呈指数关系，具体关系可表达为式（4-2）。nQQ(1)（4-2）n03式中Q——预测第n年城市需水量，万m/d；n3Q——起始年份实际城市用水量，万m/d；0——城市用水量的年平均增长率；n——预测年限。4.3.3.2黄岛区用水量增长率分析根据黄岛区近11年用水量统计，可计算出城市日均用水量及其年增长率，可得结果如图4-2。图4-2黄岛区历年平均日用水量趋势图由图4-2可知，黄岛区城市日均用水量呈增长趋势，增长率总体上有逐年降低的趋势。这是由于黄岛区是缺水城市，供水量有限，为满足整个城市的用水需求，采取了很多节水措施，因此最近几年用水量增长率有明显降低趋势。4.3.3.3年递增率法预测需水量（1）城市用水量的年增长率的选取-36- 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文2011年6月30日，连接青岛市中心与黄岛区的胶州湾大桥和胶州湾海底隧道同时通车，将从根本上解决一直以来“青黄不接”的局面，这无疑是推动黄岛与青岛的共同发展。因此，在未来5年中，黄岛区将会迎来飞跃式的发展，相应的城市用水量将会迅速增加，用水量年平均增长率将一改降低的趋势，而会有所提高。所以2011-2015年城市用水量年增长率选取12%。城市在迅速发展后将会出现逐渐趋于稳定的状态，所以2016-2020年城市用水量年增长率将会恢复逐年递减的规律。因此，2016年城市用水量年平均增长率选取11%，2017年城市用水量年平均增长率选取10%，2018年城市用水量年平均增长率选取9%，2019年城市用水量年平均增长率选取8%，2020年城市用水量年平均增长率选取7%。（2）城市需水量预测根据历年城市用水量信息及2011-2020年城市用水量年增长率选取值，可预测2011-2020年城市需水量，其中日变化系数取K=1.22，如表4-3所示。表4-32011年~2020年需水量预测表33年份增长率（%）平均日用水量（万m/d）最高日用水量（万m/d）20111216.9920.7320121219.0323.2220131221.312620141223.8729.1220151226.7432.6220161129.6836.2120171032.6539.832018935.5843.412019838.4346.882020741.1250.173综合以上，近期2015年预测需水量（最高日）为32.62万m/d，远期20203年预测需水量（最高日）为50.17万m/d。4.3.4线性回归法采用线性回归法基本公式如式（4-3）。QQQn（4-3）n03式中Q——起始年份后第n年平均日用水量，万m/d；n-37- 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文3Q——起始年份平均日用水量，万m/d；03Q——平均日用水量的年平均增量，万m/d；n——年数。选取2000年为起始年，计算结果如表4-4。表4-4线性回归法预测平均日用水量表日平均用水量增量平均增量预测值误差相对误差年份（万量m³/d）（万m³/d）（万m³/d）（万m³/d）（万m³）（%）20004.495891.067554.495890020015.356160.860275.563440.20733.8720026.331510.975346.630980.29954.7320037.627401.295897.698530.07110.9320049.027401.400008.76607-0.2613-2.89200510.008220.980829.83362-0.1746-1.74200611.216441.2082210.90116-0.3153-2.81200711.791780.5753411.968710.17691.5200813.958902.1671213.03625-0.9226-6.61200913.88729-0.0716214.10380.21651.56201015.171341.2840515.1713400201116.23889201217.30643201318.37398201419.44152201520.50907201621.57661201722.64416201823.7117201924.77925202025.846793可见2015年平均日用水量预测值为20.50907万m/d，年用水量为7485.8133万m/d；2020年平均日用水量预测值为25.84679万m/d，年用水量为9434.083万m/d。根据日变化系数取K=1.22，则可预测黄岛区2015年及2020年最高日需水量为：3近期2015年预测需水量（最高日）为25.02万m/d，远期2020年预测需3水量（最高日）为31.53万m/d。-38- 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文4.3.5单位面积法按照城市综合用水量指标，参数选取可参照表4-5。32表4-5城市单位建设用地综合用水量指标万m/(kmd)城市规模区域特大城市大城市中等城市小城市一区1.0～1.60.8～1.40.6～1.00.4～0.8二区0.8～1.20.6～1.00.4～0.70.3～0.6三区0.6～1.00.5～0.80.3～0.60.25～0.5青岛市黄岛区总面积为274.1平方公里，现阶段开发状况如图4-3所示，开发率约为40%，2008年人口49万人。初步估算2015年开发率为47%，20203年开发率为52%。青岛属于山东在二区因此选择范围在0.3～0.6万m/2（kmd），随着黄岛区的发展当人口超过50万时发展为大城市选择范围在3230.4～0.7万m/（kmd）。用水量最小值=0.3274.10.47=38.65万m/d，用水3量最大值=0.7274.10.52=99.78万m。图4-32010年黄岛区开发状况图鉴于城市节约用水、低碳生活理念，近期2015年选取综合用水量指标为32320.42万m/（kmd），远期2020年选取综合用水量指标为0.48万m/（kmd）。故得：3近期2015年预测需水量（平均日）为54.11万m/d，远期2020年预测需-39- 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文3水量（平均日）为68.42万m/d；又知日变化系数取K=1.22，可得，近期20153年预测需水量（最高日）为66.01万m/d，远期2020年预测需水量（最高日）3为83.47万m/d。4.3.6灰色理论法4.3.6.1灰色理论概述灰色理论将任何随机过程看做是在一定时空域内变化的灰色过程，将随机量看做是灰色量；认为无规则的离散时空数列是潜在的有规序列。灰色系统理论通过关联分析等措施提取建模所需的变量，并在研究离散函数性质的基础上，对离散数据建立微分方程的动态模型，进而获得变量的时间响应函数。实践证明，灰色建模所需的信息较少，精度较高，能较好地反应系统的实际。灰色预测不追求个别因素的作用效果，试图通过对原始数据的处理削弱随机因素的影响来寻找其内在规律。由原始序列经累加处理生成序列后，用指数关系式拟合，通过构造数据矩阵建立n阶微分方程模型。一阶线性动态模型GM(1,1)对应的微分方程如式（4-4）所示。（11）（）dx/dtaxu（4-4）(1)式中x——原始序列的累加生成序列；a——系统的发展灰数；u——系统的内生控制灰数。a设aˆ[]，则由最小二乘法原理可得式(4-5)。uTT1aˆ()PPPY(4-5)N(1)(1)1/2(xx(1)(2))1(1)(1)P1/2(xx(2)(3))1Y(x(0)(2),,x(0)(N))T式中；N。(1)(1)1/2(xx(10)(11))1则GM(1,1)模型的时间响应函数模型如式(4-6)及式(4-7)。(1)(0)uakuxˆ(k1)(x(1))e(4-6)aa(0)(1)(1)xˆ(k1)xˆ(k1)xˆ(k)(4-7)-40- 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文4.3.6.2建立灰色预测模型将已有2000年到2010年的年用水量序列数据表示为表4-6形式。3表4-62000-2010年用水量的序列表达（万m）年份20002001200220032004200520062007200820092010编号1234567891011(0)Q(k)1641195523112784329536534094430450955068.865537.54建立级比表达式（4-8）。(0)Q(k-1）r（k）（k=2,3,4，…11）(4-8)（0）Q（k）为了保证建模方法的可行性，需要对已知数据列做必要的检验处理，计算22--数列的级比，看其是不是都在（en1，en1）=（0.8465,1.1814）之内。可得数列的级比如表4-7。表4-7历年用水量数列级比计算结果k234567891011rk（）0.8390.8450.8300.8440.900.8920.9510.8441.0050.9154919232714可见k=2、3、4、5、9时级比不能满足要求，需要对数列做必要的变换处理，使其落在可容范围内，即取适当的常数c=300，做变换(0)（0）q（k）Q（k）300。变换后得如下表4-8：表4-82000-2010年用水量变换表编号1234567891011(0)q(k)1941225526113084359539534394460453955368.865837.54经计算，调整后级比满足要求。4(0)q对按照式（4-9）作一次累加处理，得到表4-9。-41- 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文(1)(0)q(1)q(1)k(1)(0)（4-9）q()kiq()i1表4-92000-2010变换后用水量一次累加表k1234567891011(1)q(k)1941419668079891134861743921833264373183237200.8643038.4对式(4-8)建立GM(1,1)模型，其灰微分方程形式如式(4-10).(1)dq(1)aqu(4-10)dt求解式(4-10)，得时间响应函数如式(4-11)。(1)uu(0)akq(k1)q(1)e(4-11)aa对式(4-11)做1-IAGO还原可生成预测序列如式(4-12)。(0)(1)(1)q(k1)q(k1)q(k)(4-12)式(4-11)、(4-12)为用水量预测GM(1,1)模型的时间响应函数及预测序列计算公式。将计算结果带入式（4-5）中的P，得-3068.5122552611-5501.51-8349130841/2(q(1)q(2))1(1)(1)3595-11688.511/2(q(1)q(2))1(1)(1)(0)(0)TP=-15462.51YNN(q(2),,q())3953-1963614394(1)(1)1/2(q(1)q(2))1-2413514604-29134.515395-34516.4315368.86-40119.631，5837.54()T1()T16.98589E10191611.56计算(PP)，得(PP)=191611.5610。-0.095563098TT1按参数算式（最小二乘估计），得aˆ()PPPY由于N2278.640571，-42- 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文-a=0.095563098<0.3，故可用于中远期预测。4.3.6.3确定需水量预测模型由式（4-4），时间响应函数式(4-11)及预测序列式(4-12)，最终确定预测模型如式（4-13）。(1)0.095563098kq(k1)25785.35644e-23844.35644，（k=1,2,3,4，,20）（4-13）4.3.6.4灰色理论模型预测需水量按式（4-13）的模型预测，得结果如表4-10。3可见2015年年需水量预测值为9554.06万m，即平均日用水量为26.1833万m；2020年年需水量预测值为15590.15万m，即平均日用水量为42.713万m。根据日变化系数取K=1.22，则可预测黄岛区2015年及2020年最高日需水量为：3近期2015年预测需水量（最高日）为31.94万m/d，远期2020年预测需3水量（最高日）为52.11万m/d。4.3.7非线性混沌理论法4.3.7.1建立需水量的混沌动力学模型由黄岛区2000年~2010年的年用水量数据（参见表4-1），设一时间序列{用水量i}，其中（用水量i）表示第i年的用水量，对该时间序列按下式（4-14）做预处理。V全年i1R（4-14）iV全年i对时间序列{R}进行非线性回归，不失一般性，可以设非线性回归模型如i式（4-15）。2RaRbRc，(a0)（4-15）i1ii令RdXf，带入（4-15）式得式（4-16）。ii2XAXBXC（4-16）i1ii2af(b1)fc式中Aad，Bb2af，C。d-43- 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文精度检验表结果及灰色预测需水量10-4表-44- 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文（续表）10-4表-45- 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文22如果令C0，即af(b1)fC0成立，则(b1)4ac0，而(b1)f，（4-16）式可改写为式（4-17）。2a2XAXBX（4-17）i1iiB令XY，KB，则得式（4-18）。iiAYKY(1Y)（4-18）i1ii4.3.7.2需水量混沌动力学模型分析变换后得到的（4-18）式即是著名的单种群模型。令fYK(,)KY(1Y)，iii则一次映射的不动点Y满足方程如式（4-19）。FfYK(,)YKY(1Y)Y0（4-19）FFFFF1fYK(,)fYK(,)解得，Y0，Y1。根据YYK，YY2KF1F2KYF1YF2按照根据稳定性和分岔理论，可得:（1）当01K，有唯一稳定不动点Y；F1（2）当K1，系统产生跨临界分岔，Y不稳定，Y稳定；F1F2K1（3）当13K，不动点Y不稳定Y稳定，并且收敛于；F1F2K（4）当K3时，不动点Y经倍周期分岔失稳，系统有一对周期2不动F2点。二次映射时，周期2不动点满足方程如式（4-20）。22f()YFK,YFKYF(1YF)1KYF(1YF)YF0（4-20）解（4-20）可得4个不动点如式（4-21）。Y0F11Y1F2K1（4-21）Y1K(K1)(K3)F32K1Y1K(K1)(K3)F42K同样根据稳定性和分岔理论可得：-46- 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文（1）当3K16，不动点Y、Y不稳定，Y、Y是稳定的周期2F1F2F3F4不动点（2）当K16，Y、Y经倍周期分岔失稳，有两对周期4不动点。F3F4当n次映射时，用数学归纳法可以证明：mm-1（1）当KKK，具有2个n周期不动点，其中2个是稳定的，mm1其余的是不稳定的；m-1m（2）当KK，2个稳定的n周期不动点发生倍周期分岔，系统由2m个2n周期不动点。综上所述：在01K时，有一个稳定的不动点Y0；当13K时，Y0FF11不稳定，而YF1稳定；当3K16，YF0和YF1都不稳定，其KK二次迭代解稳定；当K16时，分岔出一对周期4解，而后再分岔周期8解，16解等等，大约在3.56994时进入混沌区。4.3.7.3混沌理论需水量预测结合上述模型对黄岛区2000年-2010年用水量进行分析和检验，其中2000年~2009年数据作为分析数据，2010年数据作为检验数据。用水量经处理后得到表4-11。表4-11黄岛区2000年~2009年用水量时间序列处理表年份200120022003200420052006200720082009R1.19131.18211.20471.18351.10861.12071.05131.18380.9947i对表4-11中的数据进行非线性回归分析，在式（4-15）中参数a、b和c的适当范围内搜索这三个参数的值，使得拟合曲线与表4-7中的数据误差最小，可得拟合曲线为式（4-22）。2R2.5769R5.5817R4.1318（4-22）i1ii2(b1)由式（4-22）可得出，(b1)4ac0.77460，f1.4485，2aBb2af1.8801，KB1.8801。K1因为13K，则时间序列用水量收敛于=0.4681，时间序列X收iiK-47- 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文BK1BK1敛于，时间序列R收敛于df=1.1070，则2010年黄岛区iAKAK35611.235537.54用水量为5611.23万m，相对误差为1.33%，精度较高。5537.543则依次预测2015年黄岛区需水量为9205.66万m，2020年黄岛区需水量3预测为15303.58万m/d。根据日变化系数取K=1.22，则可预测：3近期2015年预测需水量（最高日）为31.02万m/d，远期2020年预测需3水量（最高日）为51.15万m/d4.4黄岛区需水量的确定综合以上7种需水量预测结果，可得表4-12。表4-12黄岛区预测需水量（最高日）汇总表2015年2020年预测方法主要特点分析33（万m/d）（万m/d）分类加和法52.7108.84极大依赖于预测人口数人均综合指标法38.588.2极大依赖于预测人口数年递增率法32.6250.17符合我国经济宏观调控、节约用水理念线性回归法25.0231.53仅注重绝对量的增长、预测不稳定单位面积法66.0183.47参数选取范围过大、受人为因素影响大灰色理论法31.9452.11实际问题多因素数学化处理混沌理论法31.0251.15实际问题多因素数学化处理由表4-12，7种需水量预测方法的结果差异比较大：分类加和法、人均综合指标法和单位面积法预测所得需水量比较大，其预测中或极大依赖于预测人口数或受人为主观因素影响大，预测结果可信度不高；线性回归法受其方法本身制约，对于预测近期内数据比较可信，远期数据可信度不大；年递增率法预测需水量符合我国需水量预测同经济增长率结合的方式、同时考虑国家对于节约用水的一些政策法规，比较适用于近期及中远期预测；灰色理论法和混沌理论法将影响用水量的一些已知因素及未知因素综合到数学模型中，相对可信度较高，预测需水量结果几乎一致。通过上述分析，综合专家意见及黄岛区实际情况，最终确定黄岛区201533年城市最高日用水量为30万m/d；2020年城市最高日用水量为50万m/d较为合适。关于水源选择及具体分配方式的说明：-48- 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文确定了近期、远期用水规模后，水源的选择及具体各水源规划供水量等直接制约着后续管网优化改扩建分析，因此有必要在此说明情况。黄岛区现状供水能力基本能满足用水需求，略有剩余，但随着城市经济增长的加快，区内外来人口也不断增多，且企业相继投产，城市需水量急剧增长，供水能力已不能满足发展需要，需依靠棘洪滩水库至黄岛引水复线工程、海水淡化及中水回用等以满足2015及2020年用水需求。3黄岛区现有供水能力为20万m/d，远不能满足2015年需水量，因此需新建红石崖水厂，以保证规划年的供水量。中水回用、海水淡化等措施也是缓解水资源紧张的方法，但由于中水回用、海水淡化出水水量、水质不稳定，只可作为水量补充的辅助手段，因此规划2015、2020年用水量主要以各水厂净水为主。而中水回用及海水淡化则根据预测出水量作为辅助水量。具体规划水量详见表4-13、4-14。表4-13中水回用规划水量33污水厂2015年（万m/d）2020年（万m/d）泥布湾66镰湾河6.510龙泉10合计12.5（至少保证连续、稳定、达标26（至少保证连续、稳定、达标出水出水1~5万m³/d）11~15万m³/d）表4-14黄岛区2015、2020年规划供水量构成表需水量（万现状四座净水厂供新建红石崖净水厂规中水回用、海水淡化年限3333m/d）水能力（万m/d）划供水量（万m/d）保证水量（万m/d）现状1919220153019101~5202050192011~154.5本章小结（1）调研黄岛区历年用水量，分析了黄岛区历年用水量组成及增长趋势；（2）针对黄岛区用水量情况及具备的基础资料数据，研究选取了7种需水量预测方法：分类加和法、人均综合指标法、年递增率法、线性回归法、单位面积法，灰色理论法、非线性混沌理论法；（3）用上述7种方法对黄岛区2015年及2020年需水量进行预测，并通过这些方法的预测结果综合比较得到合理的规划期用水量为：黄岛区2015年-49- 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文33城市最高日用水量为30万m/d；2020年城市最高日用水量为50万m/d，为供水管网优化改扩建提供了合理的用水规模。-50- 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文第5章黄岛区供水管网优化改扩建工程方案5.1供水管网工况分析平台的建立5.1.1供水管网工况分析平台建立流程为了切实提高城市供水管网规划的效率和水平，加强规划的指导性和可操作性，研究建立集地理信息系统和供水管网水力计算模型相结合的、具备给水数据集成管理、空间数据查询与分析、动态模拟计算和模拟结果多视图展示等多种功能的供水管网工况分析平台，建立流程如图5-1。图5-1供水管网工况分析平台建立流程图-51- 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文实践中经过大量收集资料，对黄岛区DN80mm以上供水管网建立了工况分析平台，作为黄岛区供水管网2015、2020年改扩建规划分析的基本工具。5.1.2基础资料调查整理分析现状基础资料收集是项目实践的第一项任务，是构建水力模型准确性的首要因素，是模拟管网运行情况以及在此基础之上所做出改扩建优化方案的关键。5.1.2.1地形、道路与管段属性资料包括如下：（1）黄岛区给水管线分布图（CAD图1张）；（2）黄岛区分区道路网图（CAD图1张）；（3）黄岛区地形图（CAD图100张）；（4）黄岛区现状介绍文档及规划要求文档。5.1.2.2水厂调度历史记录研究拟以2011年7月29日24小时运行数据作为供水管网水力模型建立基础数据，各水厂出厂流量及压力历史数据见图5-2、图5-3、图5-4。图5-2黄岛区逐时供水总流量图3以2011年7月29日为例，黄岛区该日供水总量为17.36万m，可以看作该年最高日供水情况；供水明显有两个高峰，早8时和晚10时流量最大，33其中早8时流量为8112m/h，晚10时流量为8024m/h；用水低峰发生在凌晨34时，此时最小流量为5897m/h。3由该日供水数据可以分析得出，其平均时供水流量为7235m/h，该日供-52- 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文水时变化系数为1.12。图5-3黄岛区各水厂逐时供水流量由图5-3可知，在黄岛区现有4个供水厂中，殷家河水厂供水流量很小，3只有200m/h左右，管家楼水厂供水流量最大，占据所有供水流量的一半以上；小珠山水厂和高家台水厂出水流量比较平稳。图5-4黄岛区各水厂逐时供水压力由图5-4可知，殷家河水厂和小珠山水厂出厂压力较高，并且出厂压力一直平稳在0.52MPa，管家楼水厂和高家台水厂出厂压力相对较低，并且高家台水厂出厂压力相对波动较大。此外，还收集了各水厂清水池水位在2011年7月29日的记录数据。5.1.2.3水厂静态信息包括黄岛区各水厂设计规模、实际安全持续运行能力以及各水厂出厂干管-53- 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文流量及送水方向，各水厂地面高程、水泵台数及型号9如表5-1)等。，表5-1各水厂部分静态信息水厂地面高程（m）水泵台数（台）水泵型号1）400*300CHN2）VENUSI-300*400AC管家楼水厂18.073）VENUSI-250*410C4）350*250CHN1）SLOW200-530A2）14SH-SA小珠山水厂24.943）SLOW250-470I4）88H-91）250*150CHNM高家台水厂16.042）350*250CGNM1）IS100-80-125B2）100-65-200J殷家河水厂43）1S100-65-2004）KQSN150-M6/2115.1.2.4高位水池信息调查花林水池、黑山水池、烟固墩山高位水池、柳花泊高位水池、黄山水池的位置、容积、数量、池底标高、最大设计水深、最低水位等信息，如表5-2。表5-2各高位水池部分信息高位水池个数容积（m³）池底标高（m）最大设计水深（m）花林水池14000705黑山水池21000+100034.5烟固墩山高位水池210000+100004柳花泊高位水池2800+4001044黄山水池22000+200045.1.2.5中途加压泵站信息包括黄岛区中途加压泵站的位置、扬程、进水量及送水方向等信息，如表5-3。5.1.2.6关键阀门位置及启闭信息在供水管网中，有时为了使各水厂供水范围受到控制，一些连接管上的阀门被人为关闭，这些阀门的启闭信息对管网水力状态影响很大，必须明确这些阀门位置及启闭信息。黄岛区供水分为南北两部分，南北网连通阀位于开发区齐长城路南侧，东于家河村东北侧，并且：-54- 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文（1）DN800阀门，状态：开；（2）DN500阀门，状态：关；（3）DN300阀门，状态：关。表5-3各中途加压泵站部分信息加压泵站扬程进水量水泵台数单泵流量位置33进出口压力（KPa）名称（m）（m/d）（台）（m/d）昆仑山路与松进水压力：0.16荒里泵站5220002用1备90花江路交叉口出水压力：0.5三十五号路红石崖39246-2661用1备64进水压力：0.32-0.4，南营泵站南营4248002用1备37.5出水压力：0.444进水压力：0.4山科大泵站前湾港路604002用1备64出水压力：0.55龟田食品加进水压力：0.26黄河西路南侧656661用1备90压泵站出水压力：0.55嘉陵江路与银进水压力：0.09-0.2，南港安置区50108002用1备150海路交叉口出水压力：0.5柳花泊供水所进水压力：0.16柳花泊泵站401用1备18院内出水压力：0.5山里泵站南北屯422用1备1005.1.2.7压力监测点信息黄岛区现有10个压力监测点，调研压力监测点位置及其监测信息（2011年7月29日），部分压力监测点监测信息见图5-5。（a）1~3个测压点-55- 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文(b)4~6个测压点（c）7~10个测压点图5-5黄岛区压力监测点部分历史信息5.1.2.8黄岛区历年供水量信息这部分包括历年供水总量和具体构成，具体见表4-1。5.1.2.9其他信息包括以下几点：（1）黄岛区163个用水大户地理位置及用水信息；（2）用户用水性质、用水规律调查；（3）支线台账信息、水量营业数据；-56- 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文（4）管线总线信息，区域用水量统计；（5）水源规划情况、水厂规模规划情况、中水回用规划情况，等。5.1.3建立供水管网图文数据库供水管网建模所需数据量大，为有利于数据之间能充分调用方便管理，针对黄岛区供水系统，研究建立了黄岛区供水管网图文数据库。5.1.3.1供水管网图文数据库建立流程供水管网图文数据库建立流程见图5-6。供水管网图文数据库供水管网数据库数据库接口图形显示输出系统信息查询系统用用水用用用清水水节管水泵户附户附户附水量量点段源特水件水件水件池变变数数数性量数量数量数数化化据据据曲数据数据数据据曲曲库可库线据库据库据库库线线库库库库库库图5-6供水管网图文数据库建立流程图5.1.3.2建立供水管网拓扑图通过对CAD图纸的处理等操作步骤后，最后经过VGE矢量化形成了黄岛区供水管网拓扑结构图（管径≥DN80mm），如图5-7。5.1.3.3构建管道阻力系数模型由于黄岛区旧管网较多，管道阻力变化较大，为保证水力计算的准确化，充分结合现阶段研究成果中供水管网建模方面的经验，借鉴全国各地对典型管段阻力系数现场实测结果，比照同类城市管网，建立管道阻力系数组合灰色预测模型，管道阻力系数按照下式5-1计算。0.0154(Y1950)C65.35e0.00383D4.39（5-1）式中Y——管道敷设年份；D——管道直径，mm。-57- 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文图5-7黄岛区供水管网拓扑结构图（2011年）5.1.3.4水厂供水流量变化规律城市水厂供水量变化曲线能够反映出城市用水规律，具体可见图5-2、图5-3及相应的分析。5.1.3.5节点标高估算获知管网中所有节点的标高是进行水力计算的必要条件。已有资料近知黄岛区部分地面标高，但是没有给出管网每个节点的标高。分析平台中所用到的各节点标高，研究经过拟合计算得到。5.1.3.6节点流量计算供水管网节点流量是给水系统优化运行的重要基础数据，它反映了用水户的性质和用水量的分布状态，其计算的准确程度直接影响给水管网平差计算的精度，特别是对于漏损水量和未计量水量的准确分配尤其有必要。研究通过各-58- 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文区域内漏损水量和未计量水量沿管长均匀分配的折算方式进行。节点流量计算方式见图5-8。各类用户用水量变化曲线大用户类型及用水量节折点用户水量（营业水量）数据库其他用户类型及用水量算流量居民生活用水量漏损水量和未计量水量图5-8节点流量计算流程图5.2黄岛区供水管网现状工况分析5.2.1供水管网现状工况模拟以2011年7月29日各水厂及压力监测点运行数据为基础数据，在上述平台上建立黄岛区供水管网水力模型，经过校核满足一定精度后开展模拟应用。（1）平均日平均时模拟32011年平均日供水流量按16万m/d考虑，即平均日平均时总供水流量3为1.85m/s，管网运行负荷模拟状况见图5-9。图5-9供水管网管道运行负荷状况图由图5-9可知，所有管道几乎都处于低负荷运行状态，亦即现状供水管网-59- 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文在运行费用方面是满足经济流速约束要求的，可知大部分管道在平均日平均时工况下实际流速远低于经济流速；从经济流速约束条件看，现状管网的运行较经济流速管径设计状态能节约较大空间的运行费用。（2）最高日最高时模拟2011年最高日最高时选取7月29日早8时工况为代表，也即流量为2.2533m/s。最高日最高时供水管网自由水压分布见图5-10，最高日最高时供水管网自由水压等压线分布图见图5-11，最高日最高时各水厂供水范围分布见图5-12。图5-10供水管网自由水压分布图由图5-10可分析得出，整个管网自由水头基本大于20m，满足服务水头-60- 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文要求；管网中部分管道，例如一些中途管道特别是管网末梢（如高家台供水范围最东部）自由水压不足20m，不能满足最小服务水头要求；整个供水管网自由水压差异较大，最小的仅为10m左右，最大的超过80m；地形起伏是造成自由水压差异大的根本原因，中途加压泵站的设置使用使得管网中相邻节点自由水压差异很大。图5-11供水管网自由水压等压线分布图由图5-11可知，黄岛区供水管网等水压线分布比较均匀，说明管段直径设置基本合理；但是也有局部区域水压线比较密集，说明该区域管道直径偏小，查询该区域管段属性，可知该区域管段编号为2508、1679、4538、4673，该类管段的存在，易导致局部水头损失过大，出现“掐脖”现象。-61- 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文图5-12各水厂供水范围分布图由图5-12可分析得知，管家楼水厂和高家台水厂供水范围最大，承担了主要的供水任务，殷家河水厂供水范围很小；又结合图5-4，管家楼水厂和高家台水厂供水水压相对较低，供水流量又大，现阶段调度的各水厂供水流量符合运行费用较低要求。5.2.2供水管网现状问题分析结合现状管网拓扑及上述模拟分析，得出黄岛区供水管网现状主要存在以下几个问题：（1）各水厂联通性差，供水安全低黄岛区现状水厂有：小珠山水厂、殷家河水厂、管家楼水厂和高家台水厂，各水厂间无明显联通管。水厂现状供水量与黄岛区需水量几乎持平，当水厂检修或事故停运时，会影响黄岛区供水。-62- 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文（2）管网中有“掐脖”现象通过工况分析平台对黄岛区现状管网进行现状运行工况模拟，分析出管网中个别区域管线管径过小，导致水头损失过大，出现“掐脖”现象。具体管段编号为：2508、1679、4538、4673。（3）局部管网供水压力不足通过工况分析平台对黄岛区现状管网进行现状运行工况模拟，分析出管网中个别区域压力不足20m，尤其管网末梢处。5.3黄岛区供水管网优化改扩建方案黄岛区供水管网改扩建依据第3章总体思路及相应方法进行，此外还要满足2015年、2020年供水管网规划的下述要求：（1）供水方向明确。明确各水厂的供水区域，合理分配各水厂的供水负荷；（2）管网发展趋势要符合城市发展方向：截止至2011年，黄岛区南部发展较完善，应充分考虑北部城市发展，管网应尽量向北部延伸；（3）供水管网要合理分区。合理分区有利于供水管网的调度和管理，提高供水管网的稳定性和安全性，并且能降低管网运行动力费用；（4）用支环结合的供水方式。在城市中心地区，供水安全性较高，布置成环状网，在郊区则以树状网形式向四周延伸，以节省造价成本；（5）提高供水系统输配安全性。各个水厂现缺乏相互之间的大管段连接，输配水安全性较低，应增加各水厂之间的连接，建立各水厂之间的高速公路环。此外规划过程中时变化系数选取1.5。5.3.1黄岛区2015年供水管网优化改扩建方案3按照需水量预测，近期2015年黄岛区最高日用水量为30万m/d。规划管线直径选择域为{300,400,500,600,700,800}，单位mm。32015年规划启用红石崖水厂，规划供水能力为10m/d，规划原有4座水厂仍然运行，则共有5个供水厂。供水管网优化改建模型中存在高位水池和中途加压泵站；模型求解过程，经济流速约束采用表3-1数值。经过供水管网优化改建模型求解，结合扩建管网布局及管径优化，综合考虑供水安全性要求，最终获得黄岛区2015年供水管网优化改扩建方案见图5-13所示。-63- 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文图5-13黄岛区2015年供水管网改扩建图2015年规划供水管网满足最大时、消防时、最大转输时校核要求；2015年供水管网改扩建信息见表5-4，部分模拟状况见附录图1、图2、图3。表5-42015年供水管线改扩建信息表表5-4（续表）编号具体走向定线原因(1)该管线为红石崖街道办事处新建水厂的供水干线，主要向“北部产业新城”配水；红石崖水厂→红石崖二号线(2)代替部分原管家楼水厂供水范围，使管家楼水厂→红石崖六号线→红石崖八1供水范围向南移，主要供给“前湾新港城”。号线→红石崖十四号线→黄(3)连接红石崖街道办事处新建水厂，管家楼水厂及张路→昆仑山路殷家和水厂，当一个水厂发生事故时，其他两个水厂可对其应急供水。-64- 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文表5-4（续表）编号具体走向定线原因红石崖水厂→红石崖二号线(1)该管线为红石崖街道办事处新建水厂的供水主→红石崖六号线→红石崖八干线，主要向“现代新型石化城”配水；2号线→红石崖十四号线→红(2)代替部分原管家楼水厂供水范围，使管家楼水石崖二十号线→黄张路厂供水范围向南移，主要供给“前湾新港城”。(1)该管线为红石崖街道办事处新建水厂的供水主红石崖水厂→红石崖二号线干线，主要向“北部产业新城”配水；3→珠宋路→柳花泊水池(2)向花林水池供水，增加花林水池水量，增加南部总供水量。辛安四号线→开拓北路→淮4连接殷家和水厂，高家台水厂和管家楼水厂，当其河西路中一个水厂事故时，可利用另外两个水厂对其应急管家楼水厂→淮河路→奋进5供水。路→峨眉山路→长江路(1)将未成环管段连接成环，提高供水安全性；6齐长城路→银海路→连江路(2)为“前湾新港城”增加一条供水管线。(1)将未成环管段连接成环，提高供水安全性；7长白山路→嘉陵江东路(2)增加高位水池向五大板块中的“国际旅游岛”的供水管线数量，缓解单线供水压力。滨海大道→天目山路→嘉陵(1)将未成环管段连接成环，提高供水安全性；8江路交叉处(2)增加高家台水厂向国际旅游岛供水的管线数量。该管段将原供水管网的一个大环分成两个小环，增9滨海大道→石雀滩路加五大板块中的“国际旅游岛”的供水安全性。(1)该管段的连接将未成环管段连接成环，提高供水安全性；10滨海大道最右侧(2)可以改善“卡脖子”管段现状；(3)此管段的连接可能不再需要中途南屯泵站的加压，就能满足金沙滩路东北方向的用水要求。(1)将管网连接成环，提高供水安全性；11其他(2)管线尽量少穿越或不穿越高速公路；(3)管线避开立交桥。5.3.2黄岛区2020年供水管网优化改扩建方案3按照需水量预测，远期2020年黄岛区最高日用水量为50万m/d。规划管线直径选择域为{300,500,600,700,800}，单位mm。32020年规划红石崖水厂供水能力为10m/d，规划原有4座水厂仍然运行，则共有5个供水厂。供水管网优化改建模型中存在高位水池和中途加压泵站；模型求解过程，经济流速约束采用表3-1数值。经过供水管网优化改建模型求解，结合扩建管网布局及管径优化，综合考-65- 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文虑供水安全性要求，最终获得黄岛区2020年供水管网改扩建规划方案见图5-14所示。图5-14黄岛区2020年供水管网规划图2020年规划供水管网满足最大时、消防时、最大转输时校核要求；2020年供水管网部分模拟状况见附录图4、图5、图6。5.4本章小结（1）构建了供水管网工况分析平台；（2）借助于供水管网工况分析平台对黄岛区现状供水工况进行模拟，分析总结了现状管网存在的问题；（3）将供水管网优化改扩建方法应用于黄岛区，综合现状问题提出一些改扩建要求，提出了基于优化改扩建方法的黄岛区2015年、2020年供水管网改扩建方案。-66- 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文结论结合黄岛区供水管网规划工程，开展了供水管网改扩建优化研究，得到如下研究成果：（1）通过分析黄岛区历年用水量，采用7种需水量预测方法对黄岛区未来需水量进行了预测，通过所有预测结果综合比较确定黄岛区2015年城市最33高日用水量为30万m/d、2020年城市最高日用水量为50万m/d，为改扩建提供了合理的用水规模；（2）研究为实现基于水力模型应用的供水管网改建、扩建分步实施，通过拟合供水全程平均水力坡度的方法，实现了树状管网、单进口环状管网及多进口环状管网进口压力求解，能在扩建管网管径未定时的水力模型上进行改建优化模拟计算，能有效避免改建。扩建同步优化求解时的计算时间长、求解结果不正确的问题，建立了一种工程上易于实施的改扩建优化方法；（3）研究采用实现预期供水管网运行能耗低、以供水管网经济建设为约束的优化改扩建思想，构建了供水管网优化改建模型：该模型以平均日平均时供水工况以各泵站供水能耗总量最低为目标函数，并以该工况管网在经济流速下运行等9项指标为约束条件，在Matlab上采用优化工具箱及调用EPANET动态链接库通过遗传算法实现求解；该模型在确保供水能耗最低的同时，求解中各供水厂供水量及改建管道管径实现了同步优化，能在提出改建优化方案的同时为日后水厂的运行提供规划级别的调度方案；（4）研究在平均日平均时供水工况时，以前述改建管网基础上的调度方案优化扩建管网管径，通过经济流速约束实现了优化扩建；（5）以城市需水量预测数据为基础，将供水管网改扩建优化方法应用于黄岛区供水管网规划，计算出了黄岛区2015年、2020年管网改扩建方案，所得方案满足各项校核，改善了传统规划通过经验及技术经济比较的规划方式。但本课题的研究尚存在不足之处，期待后续管网改扩建优化研究能不断完善，主要有：（1）本研究提出的改扩建优化方法在优化中仅针对管径，很少涉及管网布局优化，还不能实现完全意义上的优化；（2）出于改扩建以实现运行费用低为目的，计算出的改扩建方案无法提高供水安全可靠性，也不涉及对水质等方面的考虑。-67- 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文参考文献1S.L.Zhou,T.A.McMahon.ForecastingOperationalDemandforAnUrbanWaterSupplyZone[J].Hydrology,2002,259:189~202.2L.W.Mays.WaterDemandForecasting[J].HydroSystemEngineenngandManagement,1992:24~32.3L.L.Brekke,D.Milton,M.Ansbum,etal.SuburbanWaterDemandModelinUsingStepWiseRegression[J].AWWA,2002,94(10):108~112.4A.Jain,O.Lindell,E.H.Term.WaterDemandForecastModelingTeclmiques-ConveniionalMethodsVersusaI[J].AWWA.2002,94(7).5M.S.Babel,V.R.Shinde.IdentifyingProminentExplanatoryVariablesforWaterDemandPredictionUsingArtificialNeuralNetworks:ACaseStudyofBangkok[J].WaterResourcesManagement,2011,25(6):1653~1676.6M.Shimakawa,S.Murakami.FuzzyPredictionModelforWaterDemandPredictionUsinganInterpolativeFuzzyReasoningMethod[C].InternationalJournalofSystemsScience,2003,34(14-15):775~785.7H.Kubo,R.Shinkuma,T.Takahashi,etal.DemandPredictionBasedonSocialContextforMobileContentServices[C].2011IEEEInternationalConferenceonCommunicationsWorkshops(ICC),2011:1~5.8刘国玉.SEGM法在城市用水量预测中的应用[J].科技情报开发与经济,2002,12(6):129~130.9ZhangZhiguo,ShaoYisheng,XuZongxue.PredictionofUrbanWaterDemandontheBasisofEngel"sCoefficientandHoffmannIndex:CaseStudiesinBeijingandJinan,China[J].WaterScienceandTechnology,2010,62(2):410~418.10ChenXiaogang.PredictionofUrbanWaterDemandBasedonGA-SVM[C].1stInternationalConferenceonFutureComputerandCommunication,2009:285~288.11许仕荣,尹学康,李黎武.城市用水量的综合动态预测建模方法[J].湖南城建高等专科学校学报,2002,11(1):37~38.12楼玉,张清,刘国华,等.城市用水量预测中的多变量灰色预测模型[J].水资源保护,2005,2(1):11~15.13薛文志,唐德善改进的GM(1,1)模型在城市用水量预测中的应用[J].水电-68- 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文能源科学,2010,28(11):38~40.14柳烨,王孔锋,陈帝伊.灰色模型结合微粒群算法的城市用水量预测[J].人民黄河,2012,34(3):42~44.15赵晓梅,盖美.基于等维新息灰色马尔可夫模型的大连城市用水量预测[J].水文,2011,31(1):66~69.16王圃,陈荣艳,孙晓楠,等.加权组合模型在城市用水量预测中的应用[J].应用基础与工程科学学报,2010,18(3):428~434.17梁学玉，张鑫,孙天青.组合灰色预测模型在城市用水量预测中的应用[J].人民黄河.2010,32(4):79~80.18YuWei.ResearchonImprovingPredictionofDemandforCommonComponentsthroughAggregationEffect—SimulationBasedonLinearTrendofOLSMethod[C].2011IEEE18ThInternationalConferenceonIndustrialEngineeringandEngineeringManagement(IE&EM),2011:1488~1492.19赵仁义,朱玉辉.关于时间序列预测法的探讨[J].科技信息,2011,15:192~193.20王丽芳,蒋国瑞,黄梯云.基于系统动力学的技术生命周期预测[J].预测与分析,2009,(9):92~94.21蒋绍阶,江崇国.灰色神经网络最优权组合模型预测城市需水量[J].重庆建筑大学学报,2008,30(2):113~115.22R.Clememt,IrrigationParaspersionEtreseauxCollactifsDe-DistributionSouspersion[J]．EynollesParis,1979,(4):342~356.23G.Morgan,I.Goulter.OptimalUrbanWaterDistributionDesign[J].WaterResourceResearch，1985,21(5):642~652.24K.Lansey,L.May.OptimizationModelforWaterDistributionSystemDesign[J]．JournalofHydraulicEngineeringASCE，1989，115(10)：1401~1418．25Y.Kleiner,B.J.Adams,J.S.Rogers.WaterDistributionNetworkRenewalPlanning[J].JournalofComputinginCivilEngineering,2001,15(1):15-26.26G.R.SanjayKumar,H.K.Prithviraj,S.C.Yaragal.Planning,DesigningandPerformanceEvaluationofGravityBasedWaterDistributionNetwork-ACaseStudy[J].JournalofEarthSciencesandEngineering,2012,5(2):294~298.27E.Apleorvits,U.Shamir.DesignofOptimalWaterDistribution-69- 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文Systems[J]．WaterResourceResearch,1977,(13):885~900.28J.Hopfield,D.Tank．ComputingwithNeuralCircuits:AModel[J].Science,1986,233:625~633.29N.Metropolis,A.Rosenbluth,M,Rosenbuluth,etal．EquationofStateCalculationsbyFastComputingMachines[J].JournalofChemicalPhysics,1953,(21):1087~1092.30S.Kirkpatrick,J.D,Gelatt,M.P.Vecchi.OptimizationbySimulatedAnnealing[J].Science,1983,220:671-680.31R.M.Holger,R.S.Angus,C.Z.Aaron,etal．AntColonyOptimizationforDesignofWaterDistributionSystems[J].JournalofWaterResourcePlanningandManagement,2003,(3):200~209.32A.V.Savchenko.DirectedEnumerationMethodinImageRecognition[J].PatternRecognition,2012,45(8):2952~2961.33Y.R.Fan,G.H.Huang.ARobustTwo-StepMethodforSolvingIntervalLinearProgrammingProblemswithinanEnvironmentalManagementContext[J].JournalOfEnvironmentalInformatics,2012,19(1):1~9.34M.Cisty.HybridGeneticAlgorithmandLinearProgrammingMethodforLeast-CostDesignofWaterDistributionSystems[J].WaterResourcesManagement,2010,24(1):1~24.35M.E.Theocharis,C.D.Tzimopoulos,M.A.Sakellariou-Makrantonaki,etal.ComparativeCalculationofIrrigationNetworksUsingLabye"sMethod.TheLinearProgrammingMethodandASimplifiedNonlinearMethod[J].MathematicalandComputerModelling,2009,51(3-4):286~299.36S.Cerisola,J.M.Latorre,A.Ramos.StochasticDualDynamicProgrammingAppliedtoNonconvexHydrothermalModels[J].EuropeanJournalofOperationalResearch,2012,218(3):687~697.37F.Musharavati,A.S.M.Hamouda.EnhancedSimulated-Annealing-BasedAlgorithmsandTheirApplicationstoProcessPlanninginReconfigurableManufacturingSystems[J].AdvancesinEngineeringSoftware,2012,45(1):80~90.38A.Albut,V.Ciubotaru,C.Radu,etal.OptimizationoftheBlankHolderForceUsingtheNeuralNetworkAlgorithm[C].8thInternationalConferenceandWorkshoponNumbericalSimulationof3DSheetMetalFormingProcesses(NUMISHEET2011),2011.39董文楚.树状管网布置的优化方法[J].节水灌溉,1984,(4):4~7．-70- 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文40张新平,林性粹.正交表优化管网布置的原理[J].上海农学院学报,1993,12(1):20~24.41王雪珍,魏永耀.用图论法优化树状输配水管网布置及计算机绘图程序[J].喷灌技术,1995,(2):35~38.42王强,张卫红.北京市通州新城的供水规划[J].供水与排水,2009,2:26~29.43张鑫.沈阳市供水管网改扩建规划模型研究[D].哈尔滨工业大学硕士学位论文,2008:15~29.44刘小静.城市供水管网改扩建优化方法的研究[D].湖南大学硕士学位论文,2001:23~3145王昊.供水管网改造优化研究[D].天津大学硕士学位论文,2009:12~1546刘晓莹.基于改进模拟退火算法的给水管网改扩建优化规划[D].合肥工业大学硕士学位论文,2009:20~3247王光辉.马鞍山市供水管网系统规划模型的研究[D].哈尔滨工业大学硕士学位论文,2007:14~2548YangJianjun,ZhanHong,DingYucheng.ImprovedDualCodingGeneticAlgorithmfortheOptimalDesignofLoopedPipeNetworkBasedonCycle[C].2011InternationalConferenceonComputerDistributedControlandIntelligentEnvironmentalMonitoring(CDCIEM),2011:350~353.49高金良,常魁,吴文燕,等.城市配水管网数字分析平台构建[J].哈尔滨工业大学学报,2009,41(2):53~56.50王俊良,郑成志,高金良.多水源供水优化调度决策支持系统开发与应用[J].中国给水排水,2010,26(10):87~90.51金溪,曾小兵,高金良,等.供水管网专用GIS组件式开发[J].城镇供水,2007,4:68~72.52严煦世,范瑾初.给水工程(第四版)[M].中国建筑工业出版社,1999:41.53郑成志,高金良,陈兵,等.城市供水管道失效后果评价模型[J].哈尔滨工业大学学报,2012,44(2):56~60.54赵云珍.遗传算法及其改进[D].昆明理工大学硕士学位论文,2006:23~28-71- 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文附录黄岛区规划改扩建供水管网水力模拟图图1黄岛区2015年供水管网供水区域图-72- 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文图2黄岛区2015年供水管网最高日最高时运行自由水头分布图-73- 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文图3黄岛区2015年供水管网最高日最高时运行自由水头等值线图-74- 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文图4黄岛区2020年供水管网供水区域图-75- 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文图5黄岛区2020年供水管网最高日最高时运行自由水头分布图-76- 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文图6黄岛区2020年供水管网最高日最高时运行自由水头等值线图-77- 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文攻读学位期间参与的课题研究嘉荫垃圾填埋场项目，负责项目工艺设计及概算编制（2009）；呼兰污水处理厂项目招标，参与污水处理项目需求分析与标书修订（2009）；泰来县城市给水管网扩建工程，主要负责工艺设计及概算（2011）；集贤给水管网建设工程，负责工艺方案设计及概算（2011）；宝清镇给水扩建工程，负责工艺设计及概算（2011）。-78-'